光的“出路”：钙钛矿量子点发光二极管

背景介绍

铯-铅卤化物钙钛矿（CsPbX3，X=Cl，Br，I）胶体量子点（QD），以下简称PeQD-X。由于其溶液可加工性、发光光谱的半最大宽度（FWHM）窄以及易于带隙调谐，被认为是用于太阳能电池、光电探测器、发光二极管（LED）的潜力材料。

通过交换卤化物阴离子，PeQD-X在合成完成后也可以改变带隙，从而使PeQD-X适用于LED。PeQD-X溶液的光致发光（PL）发射（红色、绿色和蓝色）可以根据卤化物阴离子的比例来确定。PeQD-X的颜色转换仅在溶液状态下发生。在阴离子交换过程中，极性溶剂会通过长链配体的空间位阻产生的表面缺陷穿透PeQD-X，从而使PeQD-X不稳定，因此会降低基于PeQD-X的LED性能。若将交换过程中的长链配体替换为短链配体，可提高LED性能。PeQD-X通常使用油酸（OA）和油胺（OAM）作为长链配体进行钝化。

此外，对于溶液状态下的PeQD-X的图形化尤其困难。钙钛矿材料非常容易受到紫外线、电子束和极性溶剂的影响，从而会使钙钛矿薄膜质量下降。作者提出了一种简便的一体化工艺，在薄膜状态下同时使用短配体和阴离子交换工艺，以提高LED性能，转换发光颜色，并为全彩色显示器制作PeQD-X LED图案。该工艺用醋酸盐和丁基铵取代了长链配体。

经过一体化工艺处理的PeQD-X薄膜的导电性得到改善，在用作发光材料时，显著提高LED的性能。此外，这种方法可使PeQDX通过交换卤化物阴离子，改变LED的发光颜色。提出的一体化工艺作为一种有效的工程方法，对各种基于PeQD-X的光电子器件具有潜在的适用性。

文章亮点

1.作者提出了一种新颖的膜态配体和卤化物阴离子交换一体化工艺，用于PeQD和LED的颜色调谐和图案制作。

2. 作者提出的一体化工艺通过使用更短的配体钝化PeQD，显著提高了PeQD LED的性能。

3. 作者使用PEQD-X和适当的丁基卤化铵溶液制备了发射光谱极窄的红色、绿色和蓝色LED。

4. 作者发现通过添加卤化物溶液，可以在PeQD LED中制备各种红/绿/蓝色的图案。

图文速读

图1. a）一体化工艺的制造程序示意图：I）在基底上旋涂n-PeQD-Br；II） t1-PeQD-Br膜的醋酸盐溶液处理；III）t2-PeQD-Br膜的丁基卤化铵（BAX）溶液处理；IV）使用MeOAc清洗t-PeQD-Br膜的过程。b）一体化过程中PeQD-X成分变化示意图：I）n-PeQD-Br；II）醋酸溶液处理后的t1-PeQD-Br；III, IV）BAX溶液处理和冲洗过程后的t-PeQD-X。

图2. a）基于XPS结果的C和N与Cs的相对比率。黑色和红色条分别代表n-和t-PeQD-Br。b）三个官能团的FT-IR红外光谱。黑色和红色线条分别代表n-和t-PeQD-Br。c）n-PeQD-Br、MeOAc处理的t-PeQD-Br和MeOAc处理的n-PeQD-Br的XRD谱图分别为黑色、红色和绿色线条，以及n-PeQD-Br、MeOAc处理的t-PeQD-Br和MeOAc处理的n-PeQD-Br的TEM图像。

图3. a）t-PeQD-Br LED的器件结构和横截面TEM图像。b）n-PeQD-Br和t-PeQD-Br LED的电流密度（J）-电压（V）-亮度（L）特性图。c）电流效率（CE）-亮度（L）-外部量子效率（EQE）特性图。d）归一化EL光谱。e）t-PeQD-X LED设备的照片（顶部：绿色（t-PeQD-Br），中间：红色（t-PeQD-BrxI3-x），底部：蓝色（t-PeQD-BryC3-y）。f）绿色（t-PeQD-Br）、红色（t-PeQD-BrxI3-x）和蓝色（t-PeQD-BryC3-y）LED的标准化EL光谱及g）EQEs。

图4. a）一个基板上的红色/绿色/蓝色（R/G/B）LED的图形化过程示意图和照片。b）电极下带图案的R/G/B LED。c）带“KAIST”单词图案的（宽度：0.5~1mm）LED。d）共焦激光扫描显微镜（CLSM）成像的边界线图案化PeQD薄膜；左：PeQD-Br，右：PeQD BrxI3-x。e）穿过（d）中的黄线绘制的绿色和红色线条轮廓。f）线条图案的PeQD薄膜中边界的CLSM图像；左：PeQD-Br，右：t-PeQD-BryC3-y。g）穿过（f）中的黄色线条绘制的绿色和蓝色的线条轮廓。

结论

为了提高PeQD-X LED的性能和改变LED发光颜色，作者研究了一种新颖的膜态一体化工艺。在该工艺中使用BAX溶液制备了基于单个PeQD-Br溶液的红色、绿色和蓝色的LED，这是由于短链配体的致密钝化，在一体化过程中有效地最小化了PeQD-X的降解。此外，利用阴离子交换工艺，薄膜状态下的一体化工艺有利于在PeQD-X LED中制造各种R/G/B图案上的涂料。实验结果验证了多功能LED器件的制作，如单一基质上的R/G/B和文字图案LED。因此，所提出的方法确保了简便高效的配体交换，可以应用于各种基于PeQD-X的光电器件中。