论文概览
针对深蓝色钙钛矿发光二极管（LED）中因宽带隙钙钛矿结构缺陷导致的载流子传输受损与非辐射复合严重等关键挑战，清华大学、南京工业大学、香港理工大学等多家科研团队创新性提出原位生长高质量单晶薄膜（SCTF）与双层协同钝化界面策略。该研究通过空间限制生长法在空气中原位制备出大面积、高取向、原子级平滑的PEA₂PbBr₄钙钛矿单晶薄膜，并结合理论计算指导缺陷调控，实现了深蓝光高效辐射。在器件工程方面，通过优化空穴传输层与覆盖基板界面，采用两段式热退火结晶工艺，显著提升了薄膜质量与发光效率。最终，基于该单晶薄膜的深蓝钙钛矿LED实现了中心波长419 nm、最大亮度179 cd/m²的深蓝电致发光，其外量子效率达0.19%，是目前基于二维钙钛矿的深蓝器件中亮度最高的成果之一。该研究以"Deep-blue light-emitting diodes based on perovskite single-crystal thin films"为题发表在顶级期刊《Science Advances》上。
技术亮点
原位单晶薄膜生长：采用空间限制生长法在空气中直接制备毫米级大面积钙钛矿单晶薄膜，实现长程有序堆叠与原子级平滑表面（粗糙度仅109 pm）。
缺陷密度大幅降低：单晶薄膜陷阱密度低至6.9×10¹⁴ cm⁻³，较传统多晶薄膜降低一个数量级以上，有效抑制非辐射复合。
高效深蓝发光：薄膜光致发光量子产率（PLQY）高达48.6%，最终器件在419 nm处实现179 cd/m²的高亮度深蓝发射。
理论计算指导材料设计：通过DFT与AIMD计算阐明Br空位缺陷对发光的负面影响，为实验优化提供原子尺度指导。
研究意义
✅ 突破深蓝钙钛矿LED性能瓶颈：实现高亮度深蓝发射，推动全彩显示与照明应用。
✅ 建立高质量单晶薄膜制备新范式：空气环境、大面积、可集成生长，具备产业化潜力。
✅ 阐明缺陷影响发光的微观机制：理论与实验结合，为材料设计与缺陷工程提供清晰指导。
✅ 验证厚膜器件中的高效电荷传输：即使在微米级厚度下仍保持有效电荷输运，拓展了器件设计自由度。
深度解析
图1：单晶薄膜的制备与优化策略
图1通过示意图和数据分析展示了PEA₂PbBr₃单晶薄膜的空间限域生长方法及其优化过程，其中图1A生动描绘了在环境空气中利用限制空间外延技术实现原位生长的流程，并附有钙钛矿晶体结构示意图，而图1B则进一步说明采用两阶段热退火策略以精确控制晶核形成与晶体生长过程，最终如图1C所示通过添加过量PEABr和聚乙烯吡咯烷酮使薄膜的光致发光量子产率显著提升至48%以上，凸显了材料制备过程中关键参数调控对光电性能的深刻影响。
图2：微观结构对比与稳定性表征
图2通过荧光共聚焦、扫描电镜和原子力显微镜图像系统比较了多晶薄膜与单晶薄膜的微观结构差异，其中多晶薄膜因存在大量晶界和纳米级晶粒而表现出显著不均匀性及较高表面粗糙度，而单晶薄膜则展现出原子级平整表面和长程有序堆叠特性，其均方根粗糙度仅为109皮米，同时XRD图谱显示单晶薄膜的衍射峰强度更高且半高宽更窄，证实了其优异的结晶质量和结构稳定性，在环境空气中放置30天后仍无杂质峰出现。
图3：光学特性与激子动力学研究
图3通过光谱分析和载流子测试揭示了单晶薄膜的优越光学性能，其光致发光光谱半高宽仅为10.2纳米且量子产率高达48.6%，明显优于多晶薄膜的宽谱带和低效率特征，变温荧光谱进一步表明单晶薄膜具有较低的Fröhlich耦合强度和激子束缚能，而空间电荷限制电流测试结果更显示其陷阱密度低至6.9×10¹⁴ cm⁻³，这些数据共同证明了单晶结构中缺陷诱导的非辐射复合得到有效抑制。
图4：缺陷形成的理论计算分析
图4通过密度泛函理论计算深入探讨了不同空位缺陷在PEA₂PbBr₄中的形成机制及其电子结构影响，结果表明在铅贫乏/溴丰富的生长条件下苯乙铵空位最易形成但不会引入深能级陷阱，而面内溴空位会产生深能级缺陷态并引起显著的能带波动加宽发光谱线，从头算分子动力学模拟进一步揭示面内溴空位会导致导带底和价带顶的剧烈涨落，这为实验观察到的窄带发射和高量子产率提供了理论依据。
图5：深蓝色发光二极管器件性能
图5展示了基于单晶薄膜的深蓝色发光二极管的结构设计与性能表征，器件采用氧化铟锡/聚三芳胺/钙钛矿/三嗪类电子传输层/氟化锂/铝的多层架构，截面扫描电镜显示各层界面平整无晶界存在，电致发光光谱在419纳米处呈现纯净的深蓝色发射，在8.8伏驱动电压下达到179坎德拉每平方米的峰值亮度，外量子效率为0.19%，这一性能突破体现了单晶薄膜在抑制非辐射复合和提升载流子传输效率方面的核心优势。
结论展望
本研究通过原位生长高质量钙钛矿单晶薄膜，结合理论计算指导的缺陷调控，成功实现了高亮度深蓝钙钛矿LED，亮度达179 cd/m²，创下了基于二维钙钛矿深蓝器件的新纪录。这一成果不仅证明了单晶薄膜作为高性能光电子平台的普适性，也为深蓝发光材料在下一代显示与照明系统中的实际应用推进了前沿。未来，通过进一步优化膜厚、界面工程及材料组分，有望在效率、稳定性与大面积制备方面实现更大突破，推动钙钛矿LED迈向全彩显示与固态照明的新阶段。
文献来源
Zhu, D., Zhou, Y., Wen, X. et al. Deep-blue light-emitting diodes based on perovskite single-crystal thin films. Sci. Adv. 11, eadz8060 (2025).
https://doi.org/10.1126/sciadv.adz8060
仅用于学术分享，如有侵权，请联系删除
索比光伏网 https://news.solarbe.com/202512/15/50014667.html
