南京理工大学相恒阳、曾海波&俄罗斯圣光机大学Sergey V. Makarov丨ACS Nano丨共价双壳层包覆钙钛矿量子点,用于耐蓝光、高稳定性像素制备

钙钛矿量子点（PQDs）是下一代显示器件极具潜力的候选材料，但在制备与使用过程中存在稳定性差的问题。钙钛矿量子点本身晶格柔性高，且表面配体与晶格之间结合作用力弱，在光照、高温、潮湿及氧气环境下极易发生降解。本文提出一种适用于钙钛矿量子点的无机-有机共价键合双壳层包覆策略。无机内层壳层固定晶体表面以保障结构稳定性，该无机壳层通过硅氧硅键与丙烯酸酯有机聚合物外层壳层相连，提升分散性并实现化学交联，强化对单颗钙钛矿量子点的包覆保护。得益于该包覆方案，钙钛矿量子点可保留90%以上初始荧光寿命，在极性溶剂中储存30天仍能维持稳定胶体分散态。在相对湿度75%、大气环境、10000 cd/m²蓝光持续照射100 h的测试条件下，本文制备的钙钛矿量子点薄膜荧光强度维持在96.081 ± 0.019%，而未改性对照组仅剩余40.037 ± 0.024%，证明材料耐蓝光性能显著提升。有机壳层中的羧基可精准钝化表面缺陷，将光致发光量子产率（PLQY）由59.1%提升至98.3%。利用表面配体所含烯基双键及其光引发交联特性，可制备出5微米高精度像素图形。基于该量子点的色转换层稳定性优异，在445 nm蓝光芯片激发下亮度可达1468161.5 cd/m²；在100 cd/cm²亮度下理论工作寿命长达67.7年，是未包覆钙钛矿量子点的100倍。该包覆策略推动钙钛矿量子点在高分辨率背光显示领域实现实际应用。

图1 无机-有机共价键合双壳单颗粒钙钛矿量子点修饰包覆策略示意图。(a) 钙钛矿量子点传统表面修饰方法；(b) 无机-有机共价键合双壳单颗粒钙钛矿量子点修饰包覆策略；(c) 原始样品、超薄壳层改性钙钛矿量子点、双壳包覆钙钛矿量子点的透射电镜（TEM）图像及粒径分布曲线；(d) 双壳包覆钙钛矿量子点的X射线能谱（EDS）元素映射图。

图2 双壳单颗粒改性量子点的晶体与光学性能。(a) 原始样品、超薄壳层改性钙钛矿量子点、双壳包覆钙钛矿量子点的X射线衍射（XRD）图谱；(b) 原始样品、超薄壳层改性钙钛矿量子点、双壳包覆钙钛矿量子点的表面化学结构谱图；(c) 原始样品、I-PQDs、IO-PQDs的荧光寿命曲线；(d) 原始样品、I-PQDs、IO-PQDs的光致发光量子产率（PLQY）。

图3 双壳单颗粒改性量子点的储存稳定性、耐蓝光性能与热稳定性。(a) 原始样品与IO-PQDs在不同极性溶剂中空气环境储存前后外观变化实物图；(b) 原始样品与IO-PQDs储存前后动态光散射（DLS）曲线变化；(c) 原始样品与IO-PQDs在不同极性溶剂中储存前后荧光寿命变化；(d) 相对湿度75%、大气环境下，经100 h 445 nm蓝光照射过程中原位光致发光（PL）强度变化对比（原始样品与IO-PQDs）；(e) 半高宽（fwhm）、CIE色坐标X、Y值随光照时间的变化曲线；(f) 变温条件下原始样品与IO-PQDs的原位光致发光强度变化；(g) 升温/降温过程中发射峰位、半高宽、发光强度的变化规律。

图4 改性包覆单颗粒双壳钙钛矿量子点用于图形化像素及色转换器件的制备。(a) IO-PQDs的光交联过程；(b) 菱形像素图形的光学显微镜与荧光显微镜图像；(c) 菱形像素的无损三维轮廓仪扫描图；(d) 三维轮廓仪测得菱形像素的尺寸与间距参数；(e) 经双壳包覆改性单颗粒量子点光交联制备得到10微米、5微米像素图形、花朵图案及“NJUST Zeng LAB”字样；(f) 基于原始样品与IO-PQDs在蓝光LED芯片上制备的色转换器件于不同功率下的亮度变化；(g) 原始样品与IO-PQDs制备的色转换器件工作寿命对比。

本研究开发了一种无机-有机共价键合双壳单颗粒包覆策略，有效解决了钙钛矿量子点（PQDs）应用于Mini/Micro-LED时稳定性不足、溶剂分散性差、可加工性受限等难题。该方法将钙钛矿量子点的光致发光量子产率（PLQY）由59.1%提升至98.3%。该量子点可在多种极性溶剂中稳定分散，空气储存30天后仍保留90%光学性能；在相对湿度75%、10000 cd/m²蓝光持续照射100 h条件下，荧光强度维持96%；100 ℃高温环境下发光性能仅衰减26.1%。有机壳层侧链引入碳碳双键，可实现5微米高精度像素图形化制备，满足当前微显示器件的应用需求。基于该材料构筑的色转换器件在445 nm蓝光光源激发下亮度可达1468161.5 cd/m²，在100 cd/cm²亮度下理论工作寿命长达67.7年，相较未改性器件寿命提升109倍。本研究为钙钛矿量子点的稳定化与表面改性提供新思路，推动其在高分辨率显示领域的落地应用。

https://doi.org/10.1021/acsnano.6c07456