近日，中国科学院宁波材料技术与工程研究所(以下简称“中国科学院宁波材料所”)先进纳米光电材料与器件团队研发了具有全球领先性能的高效稳定的钙钛矿发光二极管，解决了钙钛矿材料的本征稳定性问题，为钙钛矿发光二极管的产业化指明了方向。相关论文于2月5日在国际顶尖学术期刊《自然·光子学》(Nature Photonics)上发表。
钙钛矿材料是一类和天然钛酸钙矿石(主要成分CaTiO3)具有相同晶体结构的独特材料，也是目前最具前途的光电材料之一，具有光电性能优异、制备成本低的优点，与目前常见的OLED技术相比，钙钛矿发光二极管可以将色彩纯度提升至少1倍。因此，钙钛矿发光二极管也被认为是下一代发光显示技术的最有力竞争者之一。然而，长久以来，钙钛矿发光二极管尽管在效率方面取得了显著的进步，运行稳定性低的问题依旧是阻碍钙钛矿发光二极管投入实用的主要原因，尤其对于影响钙钛矿材料稳定性的根本来源的认知还不够深入，这些都无疑阻碍了钙钛矿发光二极管性能的进一步提升和商业化应用进程。
由此，中国科学院宁波材料所先进纳米光电材料与器件团队对具有代表性的准二维钙钛矿材料内部的精细纳米结构进行了深入分析，找出了内部较薄的纳米片(只有一或二层铅离子)是诱发钙钛矿不稳定的关键来源。这些较薄的纳米片是由快速不可控的结晶过程形成的，本身结晶质量差，缺陷较多，容易发生分解，并且它们的分解会进一步诱发钙钛矿薄膜整体的分解，极大地降低了钙钛矿材料的稳定性，因此必须开发有效的方法，精准去除这些薄纳米片。遗憾的是，由于薄纳米片的尺度在纳米量级，又与其他结构紧密地堆积在一起，想要去除它们的难度不亚于从一片广袤的森林中精准地抽出某种形状的树叶，常规的宏观处理方法很难奏效。
为解决这一问题，团队从筛网可以筛分不同尺寸的沙粒的过程得到启发，创造性地开发出了“溶剂筛”方法，实现了对于不同厚薄的纳米片的精准筛分，有效去除了薄纳米片相，极大提升了最终钙钛矿材料的稳定性和发光性能。团队开发的“溶剂筛”是一种极性溶剂和非极性溶剂的组合。正如我们可以通过调整筛子上网眼的大小来控制漏过筛网的沙粒尺寸一样，团队利用较薄纳米片比起其他组分更容易溶于极性溶剂的特性，通过精准调控其中极性溶剂所占的比例来调整筛分的强度大小，就可以实现刚好只溶解掉具有一或二层铅离子的薄纳米片，而不伤害钙钛矿材料中的其他结构的效果，如图所示。这一方法不仅能实现对钙钛矿材料发光性能和稳定性的显著提升，更极大地拓展了人们对钙钛矿精细纳米结构进行操控的工具箱，为未来开发具有独特纳米结构和性能的钙钛矿材料奠定了坚实的基础。
“溶剂筛”方法示意图(左)；用“溶剂筛”方法制备的发光二极管效率与寿命遥遥领先(右)
通过“溶剂筛”方法去除掉薄纳米片后，钙钛矿材料展现出惊人的稳定性，不仅可以在湿润空气中保持发光性能超过100天，制备的钙钛矿发光二极管更是展现出在100cd/m2亮度下超过5万小时(5.7年)的运行寿命，较处理之前提升了近30倍，是目前所有绿光钙钛矿发光二极管的最高值，达到了实现商业化应用的要求。同时，钙钛矿发光二极管的发光效率也达到了29.5%，也是目前无光提取设计的钙钛矿发光二极管效率的记录，显著提高了电转化为光的效率，简化了散热设计的需求。这项研究结果无疑为钙钛矿材料在发光显示领域的应用铺平了道路，将极大加快钙钛矿发光显示器件走入千家万户的进程。
这一研究成果以“Resolving the phase dimensions of efficient and stable perovskite light emitting diodes at high brightness”为题发布在《自然·光子学》(Nature Photonics)上，中国科学院宁波材料所为第一完成单位和和通讯单位，中国科学院宁波材料所2024届应届博士毕业生丁硕为第一作者，中国科学院宁波材料所先进纳米光电材料与器件团队向超宇研究员和钱磊研究员为通讯作者。论文链接：https://doi.org/10.1038/s41566-023-01372-0
这项工作同时也得到了《自然·光子学》审稿人的高度评价。在评审意见中，审稿人不仅对这项研究中钙钛矿发光二极管实现的超高效率和运行稳定性赞叹不已，也对文章揭示钙钛矿不稳定性的关键来源和通过“溶剂筛”方法实现对钙钛矿结构的精准筛分的内部机理给予了充分的肯定。