
导读:三维(3D)钙钛矿薄膜凭借高载流子迁移率和低效率滚降等优势,成为高性能钙钛矿发光二极管(PeLEDs)的有力候选发光层材料。然而其结晶过程不可控、缺陷密度高,严重制约了器件性能。南京理工大学曾海波教授团队利用大体积咪唑阳离子苯磺酸盐(EMIMTOS)作为添加剂,通过苯磺酸基团与Pb²⁺的强配位作用抑制晶体过早形核,同时利用咪唑阳离子钝化卤素空位并促进晶体取向,实现了对结晶过程和缺陷密度的双重调控。基于此策略制备的3D-PeLEDs最大外量子效率达6.9%,亮度超30000 cd/m²,运行寿命提升17倍,为开发高性能三维钙钛矿发光器件提供了新路径。该文被选为《光学学报》“显示光学”专题(第46卷第9期)的亮点文章。
文章来源:《光学学报》2026年第9期亮点文章 | 袁文骏, 周礼宽, 尚兴乐, 李昊奇, 张坤, 王益飞, 陈欣睿, 刘海坤, 相恒阳, 曾海波. 苯磺酸盐修饰3D钙钛矿薄膜实现高性能发光二极管(特邀)[J]. 光学学报, 2026, 46(9): 0911010.
PART 1

研究背景

三维(3D)钙钛矿材料具有高色纯度、高荧光量子产率和优异的溶液加工性,在照明与显示领域备受关注。尤其是三维钙钛矿发光二极管(3D-PeLEDs)凭借良好的载流子传输性能和低效率滚降特性,成为高性能发光器件的有力候选者。然而,3D钙钛矿的快速、不可控结晶过程易导致薄膜形貌不均匀、不致密,并产生大量缺陷,严重降低辐射复合效率并增大漏电流,限制了器件效率与寿命的进一步提升。
为调控结晶过程,研究人员引入强配位添加剂(如路易斯碱)抑制前驱体络合物的过早形核,从而获得致密薄膜。但致密化往往伴随晶界增多、缺陷密度上升的新问题。因此,研发既能调控结晶又能钝化缺陷的双功能添加剂成为突破3D-PeLEDs性能瓶颈的关键。
PART 2

3D-PeLEDs研究

本研究提出采用大体积咪唑阳离子对甲苯磺酸盐(EMIMTOS)作为添加剂实现绿光3D钙钛矿薄膜的结晶与缺陷双重调控。基本策略是:苯磺酸阴离子与Pb²⁺强配位,抑制CsPbBr₃前驱体中PbBr₃⁻络合物的过早形成,从而获得致密均匀的薄膜;同时,大体积EMIM⁺阳离子有效钝化卤素空位并促进晶体的(110)择优取向,降低缺陷密度。
实验上,首先通过紫外可见吸收光谱和Benesi−Hildebrand方法证实,EMIMTOS可将PbBr₃⁻络合物的形成平衡常数(Kf)从569(无添加剂)降至333,抑制效果优于对甲基苯磺酸(PTSA)和对甲基苯磺酸二甲胺盐(DMTOS)。傅里叶红外光谱和X射线光电子能谱(XPS)进一步表明,磺酸基团与Pb²⁺、咪唑阳离子与Br⁻之间存在强相互作用,这是实现双重调控的微观机制。

图1(a)通过改变CsBr与PbBr2的浓度比(添加剂与PbBr2的浓度比为40)得到的有无添加剂下前驱体的紫外可见吸收光谱;(b)有无添加剂下的B-H(Benesi-Hildebrand)曲线;(c)有无添加剂制得稳定钙钛矿薄膜XPS Pb 4f谱图;(d)XPS Pb 4f峰值和Kf值的变化趋势图
原子力显微镜(AFM)显示(图2),随着EMIMTOS掺杂浓度增加至10%,薄膜粗糙度(RMS)从原始器件的约15 nm降至3.26 nm,致密性显著提升。时间分辨荧光寿命(TRPL)和空间电荷限制电流(SCLC)测试结果(图3)表明,EMIMTOS掺杂后薄膜平均荧光寿命从7 ns延长至35.3 ns,缺陷态密度大幅降低,而PTSA和DMTOS则因缺乏有效的缺陷钝化能力导致寿命和缺陷密度反而恶化。X射线衍射(XRD)结果进一步证明EMIMTOS促进了(110)晶面的择优取向,有利于电荷传输。

图2 经多种苯磺酸盐添加剂修饰后3D钙钛矿薄膜形貌及其结晶过程。(a)~(c)无添加剂以及掺杂不同浓度PTSA、DMTOS和EMIMTOS的薄膜AFM图像

图3 3D钙钛矿薄膜光学特性、薄膜缺陷以及晶体结构。(a)无添加剂、不同添加剂(PTSA、DMTOS和EMIMTOS)掺杂浓度薄膜的TRPL光谱;(b)稳定薄膜TRPL平均寿命与不同添加剂掺杂比例变化趋势图;(c)掺杂不同浓度添加剂的单空穴器件在黑暗条件下电流密度-电压曲线;(d)样品极限填充电压VTFL与添加剂掺杂比例变化趋势
基于优化后的薄膜制备了结构为ITO/PVK/3D Perovskite/TPBi/LiF/Al的PeLEDs(图4)。电致发光光谱显示EMIMTOS的引入未改变发光峰位(约520 nm)。J-V曲线表明致密薄膜有效抑制了漏电流。最终器件实现了6.9%的最大外量子效率和30079 cd/m²的最大亮度,相较于原始器件(0.72%,10185 cd/m²)分别提升8.5倍和2.9倍。在100 cd/m²初始亮度下,器件运行寿命T50达到1552 s,是原始器件(90 s)的17倍,远优于PTSA(382 s)和DMTOS(967 s)修饰的器件。

图4 PeLEDs器件结构以及电致发光性能。(a)PeLEDs器件示意图;(b)器件各功能层能级图;(c)~(e)PeLEDs在不同掺杂浓度的EMIMTOS EL光谱图、电流密度-电压图和外量子效率-亮度图;(f)3D-PeLEDs在不同掺杂浓度PTSA、DMTOS和EMIMTOS下的EQE变化趋势图;(g)和(h)为Control、PTSA、DMTOS和EMIMTOS的3D-PeLEDs在100 cd/m2和1000 cd/m2下LED器件运行寿命(其中,L为运行一定时间后的LEDs器件亮度,L0为初始点亮时LEDs器件亮度)
PART 3

后续工作展望

本研究通过EMIMTOS实现了对3D钙钛矿薄膜结晶过程和缺陷密度的协同优化,为发展高效稳定的PeLEDs提供了简便有效的添加剂工程策略。未来,研究人员将进一步探索该策略在蓝光、红光及大面积器件中的普适性,并结合理论计算深入解析阳离子结构与钝化效果的构效关系,推动3D钙钛矿发光器件向实际应用迈进。
作者简介

相恒阳,南京理工大学,江苏省科技进步奖一等奖获得者(排2/11,2026),江苏省优青(2024),江苏省双创博士(2020)。长期从事半导体发光显示研究。先后主持国家自然科学基金青年项目、国家重点研发计划子课题、江苏省优青等项目。近5年在Advanced Materials、Advanced Functional Materials 等期刊发表通信/一作论文40余篇,他引近3000次,ESI高被引3篇,获授权发明专利10件。

曾海波,南京理工大学材料学院院长,杰青,国家领军人才,重点研发计划首席科学家。长期从事量子点显示发光与驱动研究。主持国家重点研发项目、国家973计划课题、国家自然科学基金委员会杰青、优青、重点项目等20余项。在Nature Materials、Nature Photonics、Advanced Materials 等期刊发表论文60余篇,他引60000余次,H因子120,连续9年入选“全球高被引科学家”。获授权发明专利45项、PCT专利3项、国家标准2项,成果转化形成“惟怡-量子点(VEQD)”等新型显示产品,孵化国家级“高新技术企业”1个(南通唯怡新材料科技有限公司),量子点显示透镜市占率全国第一。以第一完成人获国家级教学成果二等奖1项、省部级科技一等奖3项。
科学编辑 | 袁文俊、相恒阳
编辑 | 杨晨


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