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南京大学,最新Nature Photonics!

2026-10-25 7998 资讯中心
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南京大学,最新Nature Photonics!
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双酰胺氢键网络调控蒸镀钙钛矿结晶实现25%效率近红外LED 金属卤化物钙钛矿发光效率高、发光波长可调,还能用蒸镀或溶液法加工,因而被视为下一代发光二极管(LED)的有力候选。目前效率最高的钙钛矿LED(PeLED)大多靠溶液法做出,但溶液法要放大生产、做高分辨率显示像素并不容易。OLED产业已经证明,热蒸发配合精细金属掩模可以大规模制造和图案化,于是蒸镀钙钛矿LED受到关注。问题在于,蒸镀器件的效

双酰胺氢键网络调控蒸镀钙钛矿结晶实现25%效率近红外LED 金属卤化物钙钛矿发光效率高、发光波长可调,还能用蒸镀或溶液法加工,因而被视为下一代发光二极管(LED)的有力候选。目前效率最高的钙钛矿LED(PeLED)大多靠溶液法做出,但溶液法要放大生产、做高分辨率显示像素并不容易。OLED产业已经证明,热蒸发配合精细金属掩模可以大规模制造和图案化,于是蒸镀钙钛矿LED受到关注。问题在于,蒸镀器件的效率仍明显落后于溶液法器件。原因要从结晶过程找:溶液法里有溶剂分子“拖住”结晶节奏,帮助形成中间相,再慢慢转成钙钛矿;真空蒸镀没有溶剂,沉积时热量释放快,成核和结晶都太急,薄膜质量难控制。可蒸镀钙钛矿的结晶调控手段少,基础机制也不清楚,这正是本文要解决的挑战。 鉴于此,南京大学的包春雄副教授、于涛教授和瑞典林雪平大学高峰教授 用双酰胺添加剂来“减速”蒸镀钙钛矿的结晶:沉积时抑制过早形成三维钙钛矿相,退火时再让结晶慢慢发生。最终做出805 nm发射的热蒸发近红外 PeLED ,最大外量子效率(EQE)达到25.0%,在100 mA cm ⁻ ² 驱动电流密度下T ₅₀ 寿命为23 h。 研究团队还把不同波长的PeLED集成在同一衬底上,做出805 nm和759 nm的单片双色发光器件,并演示了双波长可穿戴脉搏血氧测量。也就是说,这项工作不仅把蒸镀PeLED的效率推到了新高度,还展示了它在像素化集成和可穿戴传感上的实际潜力。相关论文以题为“Regulating the crystallization of thermally evaporated perovskites for efficient near-infrared light-emitting diodes”发表在最新一期《nature photonics》上。 蒸镀钙钛矿薄膜的结晶过程 研究团队先优化FAPbI₃薄膜的蒸镀工艺,发现顺序蒸发得到的晶粒比共蒸发更大、更均匀(图1b)。为了提升发光,他们在FAI和PbI₂层之间加入溶液法PeLED中常用的5-氨基戊酸(SAVA)。加入后薄膜呈岛状晶粒(图1b),光致发光量子效率(PLQE)提高,器件平均EQE从2.3%升到约11.3%(图1c)。但同样是SAVA,溶液法能把EQE从4.8%提高到21.2%(图1c),说明蒸镀条件下SAVA的作用被大打折扣。原位光谱给出了原因。蒸镀过程中,无论有没有SAVA,三维FAPbI₃相都会逐渐形成(图1e),GIWAXS也确认SAVA不能阻止蒸镀时3D相生成;但在旋涂过程中,SAVA却能有效抑制3D相。差别就在溶剂:溶剂分子能帮助形成亚稳中间相,从而控制后续退火结晶。退火过程可分成三个阶段:先是750—800 nm吸收快速下降,430—450 nm出现FA富集低维相FA₂PbI₄的特征(图1f,h),GIWAXS在q=0.70—0.71 Å⁻¹出现峰(图1g,i);随后FAI去质子化和分解,低维相向约束更弱的中间相转变;最后FA进一步损失,中间相转成3D FAPbI₃。SAVA只是把3D相形成从24 s轻微推迟到29 s(图1h,i)。更关键的是,SAVA要与FAI缩合形成SAVAFA,需要DMF或DMSO这类溶剂;蒸镀没有溶剂,SAVA自然无法像在溶液法里那样阻止3D相提前形成。 图 1 | 热蒸发薄膜的原位表征及其在PeLEDs中的性能 蒸镀钙钛矿的结晶调控 既然问题出在缺少溶剂调控,研究团队就设计一种能替代溶剂作用的氢键介体:它要有多位点氢键供体/受体(如-NH-和C=O),能稳住FA离子,防止3D钙钛矿过早出现;同时要在真空下稳定,退火时再释放FA。于是他们引入双酰胺分子PyDA(2,6-吡啶二甲酰胺)。蒸镀PbI₂时,含PyDA的薄膜只显示PbI₂吸收特征(图2a),没有可检测的3D钙钛矿发光峰或GIWAXS衍射环,说明3D相被有效压住了。退火原位吸收和GIWAXS(图2b)显示,早期PbI₂吸收快速转成角共享Pb-I八面体特征,I⁻从FAI-PyDA层扩散进PbI₂层;这个角共享相约69 s后饱和,随后FA缓慢释放并并入骨架,约420 s才形成3D钙钛矿(图2c),比SAVA体系长近7倍。GIWAXS中FA富集低维相(0.70—0.75 Å⁻¹)也比对照和SAVA体系明显受抑制,3D钙钛矿衍射信号约68 s才出现(图2b,c)。机制上,FTIR和固体NMR表明FAI的两个-NH₂与PyDA的两个C=O形成氢键,构建出致密网络;原位FTIR中原本耦合的ν(C=N)和ν(C=O)峰随退火逐渐分裂回各自峰(图2d),说明氢键网络在退火中逐步解开。用3D相形成速率拟合Arrhenius方程,得到平均Eₐₚₚ:对照1.11 eV、SAVA 1.17 eV、PyDA 1.98 eV(图2e,f

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