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北京時間2月(yue)20日(ri)，國際權(quan)威學(xue)(xue)術期刊(kan)《自然(ran)》(Nature)在線發表南開大學(xue)(xue)化學(xue)(xue)學(xue)(xue)院(yuan)教授袁明鑒、中國科(ke)學(xue)(xue)院(yuan)院(yuan)士陳軍、研究(jiu)員章煒領(ling)銜的(de)科(ke)研團隊在新(xin)型鈣鈦礦超高清(qing)顯示技(ji)術領(ling)域(yu)的(de)最新(xin)研究(jiu)進(jin)展。
該(gai)研(yan)究題(ti)為“Perovskite heteroepitaxy for high-efficiency and stable pure-red LEDs”。團隊(dui)針對新型(xing)鈣(gai)鈦(tai)礦(kuang)超高(gao)清顯示(shi)技(ji)(ji)術(shu)中純紅(hong)光(guang)CsPbI3鈣(gai)鈦(tai)礦(kuang)量子(zi)點材料相(xiang)穩定(ding)性(xing)(xing)差這一世界難(nan)題(ti)，率先提出(chu)“外(wai)(wai)延(yan)異(yi)質結(jie)界面應力操控”策略，首次利用全溶液法實現(xian)鈣(gai)鈦(tai)礦(kuang)范德華外(wai)(wai)延(yan)異(yi)質結(jie)的(de)(de)大面積(ji)原(yuan)位可(ke)控制備，成(cheng)功突破材料穩定(ding)性(xing)(xing)與器件性(xing)(xing)能雙重(zhong)瓶頸，研(yan)發出(chu)高(gao)效率與高(gao)穩定(ding)性(xing)(xing)兼備的(de)(de)純紅(hong)光(guang)鈣(gai)鈦(tai)礦(kuang)電致(zhi)發光(guang)器件 (LED)，為下一代超高(gao)清顯示(shi)技(ji)(ji)術(shu)發展提供了關鍵技(ji)(ji)術(shu)支撐，標(biao)志著在該(gai)領域的(de)(de)重(zhong)大技(ji)(ji)術(shu)突破。
鈣(gai)鈦(tai)礦(kuang)材料(liao)具有熒光量(liang)子(zi)產率(lv)高(gao)(gao)(gao)、色(se)(se)純度高(gao)(gao)(gao)、色(se)(se)域(yu)廣等獨特(te)優勢，被(bei)認為是下一代超(chao)高(gao)(gao)(gao)清顯示技術的(de)(de)理想材料(liao)。作為紅、綠、藍三基色(se)(se)之一，純紅光鈣(gai)鈦(tai)礦(kuang)LED對(dui)實現滿足Rec. 2100超(chao)廣色(se)(se)域(yu)標(biao)準的(de)(de)下一代超(chao)高(gao)(gao)(gao)清顯示系統至關重要(yao)。然而(er)，純紅光鈣(gai)鈦(tai)礦(kuang)LED長(chang)期受困于材料(liao)穩定性差的(de)(de)難題。
CsPbI3鈣(gai)(gai)(gai)鈦礦(kuang)量(liang)(liang)子(zi)點(dian)具有尺寸依賴的可調帶隙發(fa)光，是(shi)(shi)實現純紅光鈣(gai)(gai)(gai)鈦礦(kuang)LED的理想(xiang)材料(liao)。然(ran)而(er)，CsPbI3鈣(gai)(gai)(gai)鈦礦(kuang)本征相(xiang)(xiang)穩定性(xing)(xing)較差(cha)，其體相(xiang)(xiang)材料(liao)在(zai)(zai)室(shi)溫下就易發(fa)生相(xiang)(xiang)轉(zhuan)變，轉(zhuan)化為非光學活性(xing)(xing)相(xiang)(xiang)。更嚴峻的是(shi)(shi)，CsPbI3鈣(gai)(gai)(gai)鈦礦(kuang)量(liang)(liang)子(zi)點(dian)由于粒(li)徑極小、表面能極大，導致(zhi)其在(zai)(zai)室(shi)溫下幾乎無法(fa)穩定存(cun)在(zai)(zai)。因此，理解(jie)亞穩態CsPbI3鈣(gai)(gai)(gai)鈦礦(kuang)量(liang)(liang)子(zi)點(dian)相(xiang)(xiang)轉(zhuan)變機制，在(zai)(zai)此基礎上發(fa)展(zhan)高(gao)(gao)效相(xiang)(xiang)穩定性(xing)(xing)提(ti)升新策略，進而(er)實現高(gao)(gao)效與高(gao)(gao)穩定兼備的純紅光鈣(gai)(gai)(gai)鈦礦(kuang)LED，是(shi)(shi)推動(dong)鈣(gai)(gai)(gai)鈦礦(kuang)發(fa)光材料(liao)在(zai)(zai)超高(gao)(gao)清(qing)顯示應用的必然(ran)需(xu)求。
圖：全溶液法原(yuan)位構(gou)建的鈣鈦礦范德華外延異質結材(cai)料(liao)、發光薄膜(mo)與LED器件
袁明鑒教授、陳軍(jun)院士(shi)、章煒研(yan)(yan)究(jiu)(jiu)員帶(dai)領的科(ke)研(yan)(yan)團(tuan)隊(dui)，長期從(cong)事高性(xing)能半導體光(guang)電(dian)轉換(huan)材料(liao)及器件研(yan)(yan)究(jiu)(jiu)。在(zai)持續探(tan)索高效(xiao)高穩定性(xing)鈣鈦(tai)(tai)礦(kuang)光(guang)電(dian)材料(liao)的過(guo)程中，研(yan)(yan)究(jiu)(jiu)團(tuan)隊(dui)發現(xian)通過(guo)晶(jing)格(ge)應(ying)(ying)力(li)操控實現(xian)鈣鈦(tai)(tai)礦(kuang)局部(bu)晶(jing)格(ge)扭曲，可以顯著增強亞穩態鈣鈦(tai)(tai)礦(kuang)材料(liao)的相穩定性(xing)。基于上述發現(xian)，研(yan)(yan)究(jiu)(jiu)團(tuan)隊(dui)利用配(pei)體分子(zi)結(jie)構(gou)(gou)設計調(diao)(diao)控，首(shou)次報道了一種(zhong)全(quan)溶液法(fa)原(yuan)位制備鈣鈦(tai)(tai)礦(kuang)范德華(hua)外延(yan)異質(zhi)(zhi)結(jie)以提升(sheng)鈣鈦(tai)(tai)礦(kuang)量子(zi)點相穩定性(xing)的全(quan)新策略。結(jie)合球(qiu)差校(xiao)正(zheng)透射電(dian)鏡表征與(yu)密度泛函理論研(yan)(yan)究(jiu)(jiu)，研(yan)(yan)究(jiu)(jiu)團(tuan)隊(dui)首(shou)次揭(jie)示了鈣鈦(tai)(tai)礦(kuang)外延(yan)異質(zhi)(zhi)結(jie)構(gou)(gou)的界面應(ying)(ying)力(li)對鈣鈦(tai)(tai)礦(kuang)量子(zi)點晶(jing)格(ge)結(jie)構(gou)(gou)的調(diao)(diao)控機制。
研究表明，界(jie)(jie)面應力(li)誘(you)導的(de)晶格(ge)扭曲(qu)可以有效抑制CsPbI3鈣(gai)(gai)鈦礦(kuang)量(liang)子(zi)點的(de)相(xiang)轉變過(guo)程，顯(xian)著提(ti)升材料(liao)的(de)穩定(ding)性(xing)。所獲得(de)的(de)CsPbI3鈣(gai)(gai)鈦礦(kuang)量(liang)子(zi)點導電薄膜具(ju)有優異的(de)穩定(ding)性(xing)和光(guang)電性(xing)質。在此基礎(chu)上，團隊成功研發(fa)了(le)兼具(ju)世(shi)界(jie)(jie)一流性(xing)能及穩定(ding)性(xing)的(de)純紅光(guang)鈣(gai)(gai)鈦礦(kuang)LED，解(jie)決了(le)長期困擾該領域的(de)瓶頸問題。
該(gai)研究立足(zu)化(hua)學(xue)(xue)基礎學(xue)(xue)科，匯聚材(cai)料、物理、半導體器件等多學(xue)(xue)科力量，發展透(tou)射電(dian)鏡結構表征先進(jin)技(ji)術，實現了(le)鈣(gai)(gai)鈦礦范德華外延異質(zhi)結的新(xin)物質(zhi)創造(zao)，攻(gong)克了(le)純紅光(guang)鈣(gai)(gai)鈦礦LED核心材(cai)料穩定性難題，有(you)望進(jin)一步推動超高清顯示產(chan)業技(ji)術革新(xin)。
該(gai)工(gong)作由(you)南開大(da)(da)學(xue)主導，聯(lian)合北京(jing)師范大(da)(da)學(xue)、香(xiang)港(gang)大(da)(da)學(xue)、洛桑聯(lian)邦理(li)工(gong)學(xue)院、沙特國王大(da)(da)學(xue)等8家國內外機構共同完成，南開大(da)(da)學(xue)為(wei)該(gai)論(lun)文第(di)一(yi)完成單(dan)位也是唯(wei)一(yi)通(tong)訊單(dan)位。
化學(xue)學(xue)院博士研究生韋科妤、周峒和特(te)聘研究員(yuan)(yuan)姜源植為該論文共同第一作(zuo)者。袁明鑒(jian)(jian)教(jiao)授、陳(chen)軍院士、章(zhang)煒(wei)研究員(yuan)(yuan)為該論文通訊(xun)作(zuo)者。袁明鑒(jian)(jian)教(jiao)授負責(ze)材料與器(qi)件的整(zheng)體設計，陳(chen)軍院士主要(yao)負責(ze)分子結構(gou)設計與表征(zheng)平臺(tai)建(jian)設，章(zhang)煒(wei)研究員(yuan)(yuan)負責(ze)透(tou)射(she)電鏡表征(zheng)工作(zuo)。
上述研究(jiu)工作得(de)到了國家杰出青年科(ke)學(xue)基金、國家自然(ran)科(ke)學(xue)基金委創(chuang)新群體等(deng)項目支持(chi)，依托(tuo)特種化學(xue)電源(yuan)全國重點(dian)實驗(yan)室、有(you)機新物質創(chuang)造(zao)前沿(yan)科(ke)學(xue)中心、物創(chuang)海河實驗(yan)室等(deng)平臺開展。
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