从火焰到基于高温灯丝的白炽灯，从背光照亮的液晶显示，到主动发光的有机发光二极管，人类的照明方式伴随着科技的发展不断升级，科学家一直在探索更优秀的照明材料。

金属卤化物钙钛矿材料具有优秀的带隙可调性能、高缺陷容忍度、出色的高荧光量子产率，以及便捷低廉的溶液加工性能，成为下一代照明显示材料的理想候选材料之一。

但是，这种材料却因无法满足严苛的高亮度显示与照明应用需求，被挡在了产业化的门外。要想跨越障碍，钙钛矿材料需要兼具卓越的效率和长久的稳定性。

中国科学院宁波材料技术与工程研究所先进纳米光电与器件团队首次深入揭示了钙钛矿材料不稳定的内在机理，研发出“溶剂筛”方法，成功刷新钙钛矿发光二极管寿命和效率新纪录。

▲光纤电缆上的发光二极管 图片来源网络

发现问题“元凶”

自2014年首次报告钙钛矿发光二极管不到0.4%的初始效率以来，经过10年发展，钙钛矿发光二极管的外量子效率已飙升至30%。显然，效率不再是困扰它产业化的因素。

不过，长久的稳定性却依然横亘在科研人员眼前。目前，已报道的钙钛矿发光二极管，在日常生活中的典型应用亮度（100尼特下）的运行半衰期大多在分钟到小时量级，远未达到产业化和日常应用的基本门槛。

▲发光二极管传感器 图片来源网络

科研团队首先要寻找到钙钛矿材料不稳定性的底层原因。这就要求必须对材料结构有充分、透彻的认知。研究发现，钙钛矿高效发光的基础是量子限域。目前，钙钛矿发光二极管主要通过减小材料尺寸和构建低维度结构来实现量子限域。

通过精细入微的原位观察和追踪，研究团队发现在这些小尺寸和低维度结构中，只包含一至两层铅离子的薄纳米片。薄纳米片不仅自身不稳定，而且会引发钙钛矿材料整体的分解。

“元凶”找到了，薄纳米片就是导致钙钛矿发光二极管材料不稳定性的重要因素。问题的发现，极大深化了研究者对钙钛矿精细纳米结构的认知，为从根源解决钙钛矿材料不稳定性找到了关键抓手。

解决关键问题

找到了问题抓手后，只要针对薄纳米片开发新的处理方法，就能帮助钙钛矿发光二极管跨越产业化的障碍。解决薄纳米片问题，要先开发出能够有效作用于纳米尺度的处理方法。

科研团队从筛网筛分不同尺寸颗粒这一机械过程获得启发，将类似概念迁移到化学领域，开发了能够实现精准的、高度选择性筛分的“溶剂筛”方法。

▲精准的高度选择性筛分的示意图 

迈向产业化应用

通过“溶剂筛”这一新颖的化学处理策略，团队实现了对薄纳米片结构精准而彻底的筛分，成功改良钙钛矿材质性能。

经过改良的钙钛矿发光二极管，不仅展现出极为突出的性能参数，如高达近15万尼特的峰值亮度以及约30%的最高外量子效率，而且大幅延长了这类发光二极管的使用寿命，经过推算，在日常应用标准亮度（100尼特下）可以稳定运行超过5.7年。

除此之外，原本被认为对环境变化极其敏感且容易劣化的钙钛矿材料，在经过“溶剂筛”处理后，展现出不凡的耐候性和稳定性。在对比试验中，连续经历100天的中等湿度环境暴露实验后，未处理钙钛矿样品早已分解，在紫外灯下已经看不到荧光，不再能作为发光材料使用。而溶剂筛处理后的钙钛矿样品荧光效率仍能维持在75%以上，器件的整体工作效率更是保持在80%以上，有力证明了在高强度量子限域条件下，钙钛矿材料的稳定性有了巨大提升。

▲“溶剂筛”处理后钙钛矿材料展现出优异的环境稳定性

该成果解决了钙钛矿发光二极管在实际应用中的稳定性问题，标志着钙钛矿发光二极管技术已可以实现从实验室迈向实际工业应用。

未来，“溶剂筛”技术作为一种通用的处理手段，或将在多个钙钛矿材料系统中展现出强大的适用性效果。

（论文链接：https://doi.org/10.1038/s41566-023-01372-0）

转自中科院之声

（纳米实验室 丁硕）