基于金属卤化物钙钛矿量子点(QD)的发光二极管(LED)已经实现了高的外部量子效率；然而，QD缺乏表面保护及量子效率下降会导致发光二极管器件的工作寿命降低。虽然量子点在半导体壳内的外延结合提供了表面钝化和激子限制。但是由于材料的化学不稳定性，在钙钛矿QD中实现这一目标仍然是一个巨大的挑战。
基于此，多伦多大学Edward H. Sargent院士团队报告了钙钛矿基体在钙钛矿QD上的外延生长。钙钛矿QD能够在薄膜层中保持完整和稳定。相关工作以“Bright and Stable Light-Emitting Diodes Based on Perovskite Quantum Dots in Perovskite Matrix”为题发表在Journal of the American Chemical Society上。
图1. QD-in-matrix固体的结晶和能量图谱。(A)钙钛矿前体形成薄的钙钛矿框架作为成核中心。(B)具有不均匀组成的低维混合卤化物钙钛矿的形成。(C)不含QD的基质钙钛矿中的能级梯度(CB：导带，VB：价带)。(D)在表面配体处理后使用双极壳保护的应变调谐CsPbI3 QD。(E)双极壳保护的CsPbI3 QD表面的基质结晶。(F)QD-in-matrix固体的能量图谱：电荷载流子汇集到带隙小于矩阵带隙的QD中，导致光子发射。
在实际合成过程中，为了能够在QD表面引入钙钛矿前体，研究人员开发了一种表面配体的处理方法，通过使用稠密的碘化物阴离子壳和溶剂化阳离子壳的引入，使钙钛矿QD静电稳定，能够分散在甲苯/二甲基甲酰胺(DMF)混合物溶剂中。
单卤化物(CsPbI3)钙钛矿QD作为成核中心来驱动钙钛矿基质的外延生长、均匀结晶。合成的新材料在高激发(600W cm-2)下显示出抑制的俄歇双激发复合和明亮的发光，而对照材料表现出严重的漂白。基于新材料的原始红色LED显示出18%的外部量子效率，并且在超过4700cd m-2的亮度下仍保持高性能。新材料使LED在100 cd m-2的初始亮度下具有2400小时的工作半衰期，相对于最好的初级红色钙钛矿LED增强了100倍。
图2. QD-in-matrix固体的光学特性。(A)QD-in-matrix固体的TA光谱。(B)QD-inmatrix固体的B1和B2峰的动力学痕迹。(C)QD-in-matrix固体和(D)CsPb(BrxI1-x)3基质的激发速率相关PL光谱。(E)从组成稳定的QD-in-matrix相过渡到卤化物再混合相的示意图，其中溴化物从基质迁移到应变QD。QD/矩阵界面之间具有不同原子尺寸的阴离子交换会引起材料应变。(F)作为材料中应变QD体积比的函数，在(E)中说明的转变的总自由能变化（红色）。还绘制了卤化物混合过程中来自无应变碘化物域和基体钙钛矿的混合物与卤化物再混合相具有相同体积比的自由能变化（蓝色）。
图3. LED的电致发光和工作稳定性。(A)QD和QD-in-matrix LED的亮度和电流密度，作为施加偏置的函数。(B)作为QD和QD-in-matrix LED电流密度的函数的外部量子效率(EQE)。(C)具有代表性的QD-in-matrix LED在不同驱动电压下的电致发光光谱。(D)在环境条件（23-25°C；相对湿度~30%）下的相对亮度与工作时间的关系，在恒定驱动电流和914cd m-2的初始亮度（QD-in-matrix LED）和 184 cd m-2（仅限QD的LED）。基于1.95的加速因子(n)，QD-in-matrix LED在100 cd m-2下的寿命(T50)估计约为2100小时。Yuan Liu, Yitong Dong, Tong Zhu, Dongxin Ma, Andrew Proppe, Bin Chen, Chao Zheng, Yi Hou, Seungjin Lee, Bin Sun, Eui Hyuk Jung, Fanglong Yuan, Ya-kun Wang, Laxmi Kishore Sagar, Sjoerd Hoogland, F. Pelayo García de Arquer, Min-Jae Choi, Kamalpreet Singh, Shana O. Kelley, Oleksandr Voznyy, Zheng-Hong Lu, Edward H. Sargent, Bright and Stable Light-Emitting Diodes Based on Perovskite Quantum Dots in Perovskite Matrix, J. Am. Chem. Soc. 2021, https://doi.org/10.1021/jacs.1c02148
Edward H. Sargent教授，多伦多大学副校长，加拿大皇家科学院院士，加拿大工程院院士，加拿大科技部纳米技术分部主席，InVisage Technologies 创始人，Xagenic共同创始人，AAAS会士，IEEE会士，ACS Photonics副主编。Edward H. Sargen教授是材料学和光子学邻域世界著名科学家，因其在可溶相处理的半导体太阳能电池和光探测器研究中所作出的杰出贡献，当选Fellow of the AAAS；因其在胶体量子点光电子器件研究中所作出的贡献，当选Fellow of the IEEE；因其在利用量子限域材料制备全光谱太阳能电池和超灵敏光探测器研究中所作出的贡献，当选加拿大工程院院士。Edward H. Sargen教授在Nature和Science等国际顶级期刊发表论文多篇，目前已获引用超过61894次(Google数据)，其中有100篇论文的引用次数超过100次。
