导读

近红外发光二极管（NIR-LEDs）在光电领域拥有广泛的应用前景，尤其在传感、显示和生物医学监测等方面。然而，基于钙钛矿量子点（PQDs）的NIR-LEDs仍面临着外量子效率（EQE）较低的挑战，特别是与可见光范围的LED相比。其根本问题之一在于量子点表面存在动态缺陷：配体的脱落和离子迁移到界面，形成了载流子复合的中心，从而导致电流损失并影响器件性能。

近日，苏州大学廖良生教授与王亚坤副教授团队在国际光学顶尖期刊《Light: Science & Applications》上发表了最新研究成果，提出了一种创新的液态双齿配体处理策略。该策略通过提供更强的结合力来抑制配体损失，有效避免了界面陷阱的形成。通过该方法，量子点表面的配体覆盖度得到了显著提升，同时导电性大幅改善，使得NIR-LEDs的外量子效率(EQE)达到了23%，是对照样品的两倍，创下了目前基于PQD的NIR-LEDs的最高记录。实验还表明，配体处理后的量子点薄膜具有低至1.6V的工作电压，在高效电流运输的同时避免了载流子损失，充分展示了其在高性能NIR-LED中的应用潜力。该成果展示了通过化学处理方法提高钙钛矿量子点基NIR-LED性能的有效途径，为未来光电器件的设计提供了新思路。

研究背景

量子点的表面通常被配体覆盖，这些配体在某些情况下会脱落或移位，形成新的陷阱点，捕获载流子，导致电流损失，影响LED的性能。传统的长链配体，虽然能够覆盖较大范围的量子点表面，但由于其体积较大，难以完全覆盖量子点表面，导致表面仍存在未能有效钝化的缺陷。为了解决这个问题，研究人员提出了一种新的策略，通过使用短链配体来提升量子点的表面覆盖度。然而，短链配体的结合力较弱，容易在器件制备过程中脱落，导致新的表面缺陷。如何找到既能提供紧密结合，又能保持表面完整覆盖的配体，成为了提升NIR-LEDs性能的关键。

创新研究

本文采用的甲脒硫氰酸盐（FASCN）配体是一种液态双齿配体，其常温下的液态特性使其便于在量子点（QD）表面进行处理，且不受溶解度和溶剂极性的影响。此外，FASCN分子中含有**硫（S）和氮（N）**两个功能性原子，能够通过这两个原子与金属离子（如Pb²⁺）形成双重配位键，从而增强其对量子点表面的稳定结合。理论计算结果表明，FASCN与量子点的结合能显著高于油胺（OAm）、油酸（OA）等长链配体，以及MAI和FAI等常用短链配体（图1a）。这一特性使得FASCN能够在有效钝化量子点表面缺陷的同时，避免在器件制备过程中量子点表面配体的脱落（图1d）。如图1b和1c所示，FASCN处理后，量子点薄膜表现出了更高的荧光量子产率和延长的荧光寿命，进一步验证了这一点。

图1. (a)不同配体与量子点表面的结合能。(b,c)不同配体处理后的量子点的荧光量子产率和荧光寿命。(d)旋涂过程中量子点表面的配体动态示意图。

配体处理后，FASCN成功替换了量子点表面的长链配体，从而显著改善了量子点薄膜的导电性。为此，我们构建了一种双端器件来测试薄膜的导电性，这种方法能够检测薄膜内部的电流大小。通过电流-电压（I-V）曲线计算，配体处理后的QD薄膜导电性提高了8倍。随后，我们采用空间电荷限制电流（SCLC技术）测试了单电子和单空穴器件（ITO/ZnO/QDs/POT2T/Liq/Al 和ITO/PEDOT:PSS/Poly-TPD/QDs/MoOX/Al）中的电子/空穴迁移率以及缺陷态密度。如图2c和2d所示，配体处理后，器件中的电子和空穴迁移率均得到了提升，且缺陷填充电压有所降低。由此计算得出，处理后的QD薄膜缺陷态密度降低了三倍。

图2. (a)双端器件示意图。(b)双端器件所得的电流-电压曲线。(c)单电子/单空穴器件的电流-电压曲线。

基于具备高PLQY、高导电性和优异载流子传输率的QD薄膜，我们制备了结构为ITO/PEDOT:PSS/Poly-TPD/QDs/POT2T/Liq/Al的近红外LED（图3a）。如图3b所示，优化后的LED设备的最大EQE达到了23%，是原始器件的两倍，且其辐亮度提升了4倍。此外，更稳定的QD薄膜显著提升了LED的工作寿命，起始辐亮度为1Wsr^-1m^-2时，目标器件的工作寿命半衰期达到了115分钟，较原始器件提升了5倍。

图3. (a)NIR-LED器件结构示意图。(b)EQE-电流密度曲线。(c)辐亮度(Ra)-电压曲线(Ra=6 Wsr-1 m-2时由红外相机采集的LED照片)。(d)器件工作寿命测试曲线（起始Ra=1 Wsr-1m-2）

应用与展望

本研究提出的液态双齿配体（FASCN）处理方法可以有效提高基于钙钛矿量子点（PQDs）的近红外发光二极管（NIR-LEDs）性能。通过减少配体脱落和界面陷阱的形成，该方法提高了量子点薄膜的导电性和外量子效率（EQE），为NIR-LEDs的设计提供了新的解决方案。在光电应用方面，FASCN处理的NIR-LEDs具有较低的工作电压（1.6 V）和更高的EQE（23%），这使得它们在传感、显示和生物医学监测等领域更有效、更稳定。该方法也可以应用于其他基于PQDs的光电器件，如光电探测器、太阳能电池和激光器等。

尽管本研究取得了显著进展，但仍有许多需要改进的地方。比如，如何进一步提高量子点薄膜的稳定性和延长器件的使用寿命，是未来的研究方向。此外，探索更多类型的短链配体与FASCN的结合，可以进一步提升材料性能，降低成本。这些改进将推动NIR-LEDs和其他光电设备在实际应用中的发展，尤其是在便携设备和智能健康监测等领域。（来源：LightScienceApplications微信公众号）

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41377-024-01704-x