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创下同类器件效率新纪录,清华学者制备高效发光的钙钛矿薄膜,成功实现均一量子阱的钙钛矿

作者:admin时间:2023-06-20 19:20:12次浏览

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来源:DeepTech深科技“钙钛矿发光器件发展迅猛,但也存在许多局限[1]。”西班牙巴伦西亚大学亨克·博林克(Henk J. Bolink)教授在一篇综述中对钙钛矿的发展这样评价道。目前,从钙钛矿发光器件的效率来看,绿光、红光都比较高,但稳定性仍然不理想。此外,钙钛矿蓝光器件的性能较为滞后。相比于三维钙钛矿和零维钙钛矿(钙钛矿量子点),低维金属卤化物钙钛矿具有较大的激子结合能,不易产生非辐射复合

来源:DeepTech深科技

“钙钛矿发光器件发展迅猛,但也存在许多局限[1]。”西班牙巴伦西亚大学亨克·博林克(Henk J. Bolink)教授在一篇综述中对钙钛矿的发展这样评价道。

目前,从钙钛矿发光器件的效率来看,绿光、红光都比较高,但稳定性仍然不理想。此外,钙钛矿蓝光器件的性能较为滞后。

创下同类器件效率新纪录,清华学者制备高效发光的钙钛矿薄膜,成功实现均一量子阱的钙钛矿

相比于三维钙钛矿和零维钙钛矿(钙钛矿量子点),低维金属卤化物钙钛矿具有较大的激子结合能,不易产生非辐射复合,发光效率较高。可通过组分工程调节其结构,进一步提高发光效率、稳定性,应用于钙钛矿发光器件。

马冬昕是清华大学化学系的一名助理教授、博士生导师,主要研究方向是有机发光材料与器件、钙钛矿发光材料与器件,旨在开发高效率、长寿命的发光材料与器件,应用于显示领域。

通过开发新型有机分子添加剂与钙钛矿前驱体发生相互作用,马冬昕实现了钙钛矿的表面钝化与阱宽调控,成功制备发光效率高、具有均一量子阱的钙钛矿薄膜,刷新了钙钛矿发光器件效率与寿命的世界纪录。凭借系列创新成果,马冬昕成为 2022 年度《麻省理工科技评论》“35 岁以下科技创新 35 人”中国入选者之一。

图丨2022 年度《麻省理工科技评论》“35 岁以下科技创新 35 人”中国入选者马冬昕

实现器件外量子效率 25.6%,刷新钙钛矿发光器件效率与寿命的世界纪录

为进一步提高钙钛矿绿光器件的性能,马冬昕提出并验证了一种低维金属卤化物钙钛矿的表面钝化、阱宽调控策略。

她通过开发新型有机分子添加剂,与钙钛矿前驱体发生相互作用,实现钙钛矿的表面钝化、阱宽调控,刷新了钙钛矿绿光器件效率和寿命的世界纪录[2,3]。

在钙钛矿材料制备过程中,她引入有机小分子作为添加剂,同时起到控制结晶、表面钝化的双重作用,有效降低缺陷态密度,提高材料发光效率。2020 年,马冬昕与合作者共同设计合成了一系列含有 N=O、S=O、P=O、As=O 等官能团的有机小分子作为添加剂,与钙钛矿中裸露的铅离子形成配位键,降低缺陷态密度,提高发光效率,改善稳定性。

其中,三苯基氧膦(TPPO)效果最佳,其所制备的钙钛矿器件外量子效率 14.0%,在 100cdm-2亮度下运行寿命达 33 小时。

在此基础上,2021 年,她进一步提出低维金属卤化物钙钛矿的阱宽调控策略,在 TPPO 分子中引入氟原子,设计合成三(4-氟苯基)氧膦(TFPPO)作为添加剂,制备钙钛矿。

其中的 P=O 基团起到钝化作用,氟原子则与钙钛矿前驱体中的长链有机铵离子形成氢键,调控结晶速率,从而形成具有均一量子阱的钙钛矿薄膜。

值得关注的是,其发光效率近 100%,半峰全宽仅 20 nm,器件外量子效率 25.6%,刷新了当时的世界纪录(23.4%);在 7200cdm-2亮度下运行寿命 2 小时,远超同类器件。

图丨钙钛矿阱宽控制策略(来源:Nature)

“分子设计手段的加入,能够起到调控钙钛矿量子阱宽的作用。该研究解决了低维钙钛矿量子阱宽分布不均匀这一前沿基础性问题,推动了钙钛矿发光材料与器件领域进一步向前发展。”她说。

除此之外,马冬昕还针对目前报道的钙钛矿蓝光器件效率不高、稳定性较差的问题,提出了低维金属卤化物钙钛矿的能带隙调控策略:开发多种有机小分子添加剂,实现了低维钙钛矿的卤素掺杂—原位固定、尺寸调控—表面钝化,显著提高了钙钛矿蓝光器件的性能[4,5]。

从对化学“情有独钟”到回到母校任教

马冬昕的父母都曾是大学老师,非常重视教育。“我从初三接触化学之后,就对化学这一古老而神奇的学科充满兴趣。我的读书之路比较顺利,在父母的影响下我养成了爱读书、勤于思考、认真做事等好习惯,这些习惯也与科学研究的基本方法高度契合。”马冬昕说。

2008 年,她通过化学竞赛保送进入清华大学化学系读书;2012 年,她以优异的成绩保送硕博连读,主要从事新型磷光材料的研究,师从中国科学院院士邱勇教授。期间曾在美国宾夕法尼亚大学化学系和德国明斯特大学物理学院进行学术交流,合作导师分别为埃里克·J·舍尔(Eric J. Schelter)教授和克里斯蒂安·A·斯特拉塞特(Cristian A. Strassert)教授。

博士毕业后,马冬昕赴加拿大多伦多大学从事博士后研究,主要从事钙钛矿材料的研究,合作导师为爱德华·H·萨金特(Edward H. Sargent)教授。2022 年初,她回到母校清华大学化学系担任助理教授、博士生导师。

这次,作为“先锋者”成为 2022 年度《麻省理工科技评论》“35 岁以下科技创新 35 人”中国入选者之一,马冬昕也分享了她对科研创新的心得体会。她认为,创新来源于对问题的深入思考,比如天马行空的想象、阅读文献教材以及与同事、学生们的交流讨论。

“我比较注重科研过程中的逻辑思维。对我来说,一个有效的方法是,尽可能地将科研灵感和深入思考的过程及时整理成文字。这样,在一环扣一环想问题时,更容易发现其中的核心。”马冬昕表示。

图丨马冬昕在全球青年科技领袖峰会(来源:DeepTech)

显示技术是连接软件、硬件的桥梁,也是信息交互的窗口。作为重要显示技术之一的发光器件,处于交叉科学研究前沿。实现高性能发光器件的核心在于针对发光材料的深入、系统的研究。

马冬昕认为,钙钛矿发光器件已经在效率方面实现很大的突破,之后应是稳定性的提升。她对钙钛矿光电器件的实际应用有着浓厚的兴趣,希望能够在未来通过精妙的材料设计方法和化学合成手段,提高钙钛矿发光材料与器件的稳定性,进而开发新一代显示与照明技术。

参考资料:

1.A. Fakharuddin, et al. Perovskite light-emitting diodes. Nat.Electron. 2022, 5, 203

2.Ma, D., Lin, K., Dong, Y. et al. Distribution control enables efficient reduced-dimensional perovskite LEDs. Nature 599, 594–598 (2021). https://doi.org/10.1038/s41586-021-03997-z

3.Na Quan, L., Ma, D., Zhao, Y. et al. Edge stabilization in reduced-dimensional perovskites. Nature Communications 11, 170 (2020). https://doi.org/10.1038/s41467-019-13944-2

4.Ma, D. et al. Chloride insertion-immobilization enables bright, narrowband and stable blue-emitting perovskite diodes. Journal of the American Chemical Society, 2020, 142, 5126. https://doi/10.1021/jacs.9b12323     

5.Wang, YK., Ma, D., Yuan, F. et al. Chelating-agent-assisted control of CsPbBr3 quantum well growth enables stable blue perovskite emitters. Nature Communications 11, 3674 (2020). https://doi.org/10.1038/s41467-020-17482-0

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