华中科技大学罗家俊&南京理工大学徐勃AM:双锚定自组装单分子层实现高效碘化铜团簇基发光二极管
- 2026-04-23 00:32:46
小编微信：pftlovechina
通讯作者：华中科技大学罗家俊&南京理工大学徐勃
基于无毒碘化铜纳米团簇（Cu NCs）的真空蒸镀型发光二极管（LED），在可规模化固态照明与显示领域具备巨大应用潜力。然而，对于这类有机–无机纳米团簇器件而言，界面缺陷引发的性能衰减仍是一项关键难题。
本文提出一种界面配位键钝化策略，采用含吡啶官能团、并经结构优化的吡啶锚定型自组装单分子层（SAM）材料。所设计的吡啶功能化 SAM 可同时钝化铜纳米团簇发光层（EML）并优化电荷注入。
基于该策略，我们制备的铜纳米团簇 LED 实现了22.5% 的峰值外量子效率（EQE）、41 432 cd・m⁻² 的最大亮度，并在 1000 cd・m⁻² 亮度下将工作半寿命提升至119 小时，处于已报道蒸镀型团簇 LED 的最优水平之列。
此外，我们将铜纳米团簇 LED 与驱动电路集成，成功实现了有源矩阵显示屏。本研究凸显了分子工程化自组装单分子层在解锁高性能团簇 LED 中所发挥的关键作用。
图 1 兼具空穴传输与界面钝化功能的分子设计
（a）定向设计 SAM 分子 XS25 的合理策略示意图。该分子整合了三类功能单元：锚定基团（磷酸基 -PO (OH)₂）、空穴传输增强基团（咔唑）以及配位钝化基团（吡啶），可有效钝化 Cu 纳米团簇表面的铜空位缺陷。（b）4PACz 与 XS25 的静电势（ESP）分布图，颜色由蓝至红表示电子云密度逐渐降低。（c）通过密度泛函理论（DFT）计算得到的 4PACz 或 XS25 与 Cu 纳米团簇模型 [35DCzPPy]₃Cu₂I₂之间的结合能。原子配色：H— 白色，C— 灰色，O— 红色，N— 蓝色，P— 橙色，Cu— 粉色，I— 紫色。
图 2 基于 SAM 的团簇发光层（EML）光电性能提升与形貌表征
（a）ITO/XS25/EML（10 nm）薄膜在不同光电子出射角（θ = 0°、25°、50°、70°）下的 Cu 2p 轨道角分辨 X 射线光电子能谱（ARXPS）。增大出射角 θ 可提升表面灵敏度，使能谱更贴近 XS25/EML 界面的化学态信息。（b）4PACz（绿线）与 XS25（蓝线）薄膜的光致发光（PL）光谱。（c）纯 EML 及不同 SAM 修饰 EML 的时间分辨光致发光（TRPL）衰减曲线。粉色为裸 ITO 基底上的 EML，绿色为 4PACz 修饰，蓝色为 XS25 修饰。曲线采用双指数衰减模型拟合。（d, e）宽场高光谱 PL 成像提取的 (50 × 50 µm²) PL 峰强度分布图：（d）ITO/4PACz/EML；（e）ITO/XS25/EML。测试采用 340 nm 激发，100 倍物镜，步长 0.2 µm，单像素积分时间 5 ms。色标代表强度计数，范围 350（棕色）至 600（绿色）。（f）单空穴器件的空间电荷限制电流（SCLC）特性（有效面积 0.04 cm²）。J–V 曲线定量对比了 4PACz 与 XS25 作为中间层时 EML 的缺陷态密度。陷阱填充极限电压（VTFL）由 1.44 V（4PACz）降至 0.85 V（XS25）。
图 3 SAM 修饰界面的空穴注入机理研究
（a）由紫外光电子能谱（UPS）测得的 4PACz、XS25 与 35DCzPPy 的最高占据分子轨道（HOMO）能级图，以真空能级为参考。EF 和 EVAC 分别代表费米能级与真空能级。（b, c）开尔文探针力显微镜（KPFM）表面接触电势分布图：（b）ITO/4PACz；（c）ITO/XS25。（d）XS25 粉末与 ITO/XS25 薄膜的傅里叶变换红外光谱（FTIR）。（e, f）ITO 基底上 XS25 的角分辨 XPS 谱：（e）O 1s；（f）P 2p。
图 4 采用不同 SAM 的 Cu 纳米团簇 LED 器件性能与工作稳定性
（a）搭载不同 SAM 的 Cu 纳米团簇 LED 能级结构图。引入 XS25 后，空穴向发光层注入的能级匹配更为合理。（b–d）不同 SAM 修饰的 Cu 纳米团簇 LED 性能曲线：（b）电流密度–电压；（c）亮度–电压；（d）外量子效率（EQE）–亮度曲线。（e）XS25 基器件在不同驱动电压下的电致发光（EL）光谱，发射峰稳定在 540 nm。（f）XS25 基 LED 在不同初始亮度下的亮度衰减曲线（L₀ = 10201、4700、3369、1256、1000、800 cd・m⁻²）。（g）工作半寿命 T50 与亮度的拟合曲线，在 L₀ = 100 cd・m⁻² 下拟合得到 T50 = 5495 h。（h）金属卤化物基器件的 EQE 与工作稳定性（T50@100 cd・m⁻²）统计对比图。红色五角星为本文工作；黑色倒三角为热蒸镀稀土卤化物 LED；紫色三角为热蒸镀钙钛矿 LED；绿色方块为热蒸镀 Cu 纳米团簇 LED；蓝色圆点为溶液法 Cu 纳米团簇 LED。（i）基于 XS25 的 Cu 纳米团簇 LED 原型面板展示，体现其在高分辨率显示领域的实际应用潜力。器件发出黄光，主要源于半透明电极的波长依赖透过率与微腔效应。
原文：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.202522698?saml_referrer
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