近日，中国科学技术大学姚宏斌、樊逢佳、林岳、胡伟四个课题组通力合作，在纯红钙钛矿发光二极管（LED）领域取得重要进展。团队自主发明了电激发瞬态光谱（EETA）技术，并用该技术揭示出空穴泄漏是导致纯红三维钙钛矿LED效率滚降的关键因素，并开发出新型三维钙钛矿异质结发光层降低空穴泄漏（图1），成功制备出高性能纯红钙钛矿LED。北京时间5月7日，相关研究成果以“Intragrain 3D perovskite heterostructure for high-performance pure-red perovskite LEDs”为题，发表在Nature期刊上，标志着纯红钙钛矿LED技术取得重要进展。

图1 钙钛矿三维异质结限抑制LED中空穴泄漏

当前，已报道的高性能纯红钙钛矿LED（外量子效率超20%）主要使用准二维和小尺寸量子点钙钛矿，然而受限于其低载流子迁移率，亮度难以提升。三维混合卤化物钙钛矿（例如CsPbI3-xBrx）有高载流子迁移率，但是目前使用CsPbI3-xBrx三维钙钛矿LED效率在亮度升高时下降严重，由于缺乏LED原位表征设备，背后机理不明。

针对此问题，团队成员利用自主发明的EETA技术给CsPbI3-xBrx基LED“拍片子”，发现空穴泄漏到电子传输层是三维CsPbI3-xBrx基LED的性能瓶颈。EETA结果指出更好地限域空穴、抑制其泄漏是实现高性能CsPbI3-xBrx基纯红LED的关键。为了提升钙钛矿的载流子限域能力，团队提出一种全新的三维钙钛矿异质结设计，该异质结材料内部存在窄带隙发光体和限域载流子的宽带隙能垒。其中宽带隙材料是通过在部分CsPbI3-xBrx晶格中插入与铅卤骨架作用力强、空间位阻低的有机分子，从而引发部分晶格膨胀而实现的（图2a，b）。通过系统的理论计算与分子设计，成功开发出通过羧基、氨基和磺酰基等多功能基团与铅卤骨架形成稳定结合的有机分子，并实现宽带隙相的精准引入（图2c）。通过此方法，团队得到含有异质结构且三维骨架连续的钙钛矿材料，在实现载流子限域的同时保持高迁移率。所获得的三维钙钛矿异质结构被高分辨透射电镜充分验证（图2d-i）。

图2 三维CsPbI3-xBrx钙钛矿异质结的设计与材料表征

通过构建三维CsPbI3-xBrx异质结发光层，纯红钙钛矿LED器件的空穴泄漏得到了有效抑制 （图3a,b）。相应器件的峰值外量子效率（EQE）达到24.2%，最大亮度为24,600 cd m-2(图3c,d)。并且器件展现出非常低的效率滚降——亮度为22,670 cd m-2时，器件依然具有超过10%的EQE，这优于以往报道的结果（图3e）。该工作的研究结果展现出三维钙钛矿异质结材料设计在发展高效、明亮且稳定钙钛矿LED方面的巨大潜力。

图3 三维异质结CsPbI3-xBrx基纯红LED的性能

中国科学技术大学宋永慧（博士）、李波（博士后）、王子健（博士研究生）和台晓琳（博士研究生）为本文的共同第一作者，中国科学技术大学姚宏斌教授、樊逢佳教授、林岳教授和胡伟教授为本论文的共同通讯作者，EETA技术的发展得到了杜江峰院士的大力支持。本工作得到国家自然科学基金委、科技部等基金支持。理化科学实验中心为本课题的开展提供了SEM、PL、UV-vis、球差电镜等表征设备的支持。