量子點自20世紀80年代被發現以來，已廣泛應用于顯示等多個領域。北京大學深圳研究生院新材料學院王立剛特聘研究員/助理教授課題組、材料科學與工程學院周歡萍教授課題組、化學與分子工程學院嚴純華院士/孫聆東教授課題組與劍橋大學卡文迪許實驗室Richard Friend院士/爵士課題組合作，實現了不同原子層數量子點的高效發光二極管（LED）。該LED的電致發光峰值在607~728nm范圍內可控調節，并實現了26.8%的外量子效率（EQE）。這一成果對高清顯示領域具有重要意義，并已于2025年2月14日發表于國際知名期刊《科學·進展》（Science Advances），題為“Efficient perovskite LEDs with tailored atomic layer number emission at fixed wavelengths”(DOI: 10.1126/sciadv.adp9595)。

2023年，諾貝爾化學獎授予了3位發明膠體量子點的科學家。量子點的寬廣色域、窄發射峰以及高外量子效率（EQE）是下一代高清顯示技術的核心要求。傳統的量子點顏色調控主要通過控制量子點的尺寸來實現，但量子點的尺寸易受到前驅體組成、反應溫度/時間、配體類型/比例等合成條件的影響，導致發光波長的重復性不佳。鉛鹵鈣鈦礦量子點LED因其超高的效率、可溶液制備以及覆蓋從藍光到紅外的發光波長等特點，受到了學術界和產業界的廣泛關注。然而，在前期鈣鈦礦LED研究中，通常使用混合鹵素調整帶隙來調節發光波長，但在光激發或電致發光條件下，混合鹵化物鈣鈦礦材料容易出現組分偏析，導致發光顏色不穩定。此外，能量漏斗效應的存在使得在多n值（多帶隙）鈣鈦礦體系中，發光往往出現在小帶隙、長波長的大n值相中。Förster共振能量轉移和電荷轉移被認為是造成這一效應的兩種可能機制，但在光致發光和電致發光中，能量漏斗效應的確切機制以及兩者之間的差異仍不完全明確。

不同原子層數MAPbI3鈣鈦礦量子點LEDs

為解決這些挑戰，王立剛等人首次提出了一種基于量子點原子層數來控制其LED電致發光波長的新方案。該方案依托新發展的一種納米材料合成方法——“快速蒸發的極性溶劑輔助的鈣鈦礦量子點合成法（FEPS）”。該方法通過將鈣鈦礦A位陽離子前驅體的極性溶劑（水、醇）溶液注入鹵化鉛的溶液中，利用真空閃蒸法快速除去極性溶劑，從而獲得高質量的鈣鈦礦量子點。通過使用不同的極性溶劑和后處理方法可得到不同原子層數的鈣鈦礦量子點溶液，進而制備出不同發射波長的LED。

基于此合成方法，研究團隊首次實現了精準控制鈣鈦礦LED電致發光（EL）從3、4、5、7層原子鈣鈦礦量子點的發射，分別獲得了主發射峰為607、638、669、728nm的LED，用于滿足不同技術標準對三基色紅光波長的要求。更重要的是，由于該LED的發光波長依賴于整數的原子層數，而非易受制備條件影響的尺寸或成分，其發光波長展現出了高度的可重復性，不同批次LED的波長差別小于1nm，顯著優于傳統體相準二維鈣鈦礦LED（其波長差異可達40nm）。此外，該類量子點LED顏色純度（半峰寬為29~43nm）也明顯優于傳統體相準二維鈣鈦礦材料（半峰寬為61nm）。該LED實現了26.8%的外量子效率，且器件具備優異的工作穩定性和顏色穩定性，在下一代超高清顯示技術中具有極大的應用潛力。

載流子動力學研究表明，電荷轉移是鈣鈦礦LED工作條件下的主要能量傳遞途徑。在該量子點LED中，由于較慢的電荷轉移和較低的Förster共振能量轉移概率，電致發光比光致發光表現出明顯的藍移，即有更多光子從小n值的量子點發射。這一載流子動力學的研究也解決了在多n值體系中Förster共振能量轉移或電荷轉移所引起的漏斗效應的能量傳遞機制爭論，為量子點LED的設計提供了重要的理論指導。

不同原子層數量子點LEDs的性能

該論文的第一作者為王立剛、劍橋大學博士生Zher Ying Ooi及嚴純華課題組已畢業的博士賈鳳艷。王立剛、周歡萍、孫聆東、嚴純華和Richard Friend為該論文的共同通訊作者。其他合作者來自劍橋大學、浙江大學等單位。該研究得到了英國皇家學會牛頓國際獎學金以及國家自然科學基金委、科技部、北京市自然科學基金委、歐洲研究理事會等機構的聯合資助。

 (來源：集微)