导读

低杂质掺杂是半导体行业中实现高性能器件的关键因素。在传统半导体领域，通常使用纯化后的材料来进行氛围控制和样品制备，为可控掺杂、高质量薄膜、高性能器件奠定基础。以溶液法为例，低纯度的溶剂和前驱体通常富集大量杂质，其中部分杂质将会与前驱体产生反应从而影响目标产物的晶体质量，进而导致薄膜或器件的光电性能显著下降。然而，这一点在热蒸发工艺中极少讨论，被忽视的气相杂质很可能给薄膜或器件造成严重的损伤，从而影响理想器件的制备。近日，华中科技大学武汉国家光电研究中心唐江教授领衔的单片集成光电器件团队罗家俊提出了通过预蒸发活性金属的方式实现气相氛围的一步净化方案。经过系统的研究，该方案能够通过化学反应消耗有害气相杂质，实现其最终占比低于1%的高纯气相氛围。获得的高纯气相制备氛围可以使得PeLED和OLED的器件性能和集成设备性能大幅度提升，其中热蒸发PeLED实现峰值外量子效率20.23%的记录值。该方案的普遍有效性将促进热蒸发光电器件与集成系统的性能提升，加速微显示、近眼显示等高集成度显示器的发展。相关研究成果以 “High-performance thermally-evaporated light-emitting diodes via one-step vapor purification”为题发表于《Light: Science & Applications》。

研究内容

随着人们对高集成度需求的持续增长，采用热蒸发技术实现光电子器件的原位集成逐渐获得更多的关注。这一优势在有机发光二极管（OLED）中得以体现，并已经成功实现了商业化应用。为了尽可能放大热蒸发的优势，已经将其拓展到钙钛矿发光二极管（PeLED）、钙钛矿太阳能电池（PSC）、团簇发光二极管（CLED）等新型材料与器件制备中。相比于有机材料的纯物理气相沉积过程，这些新兴材料气相制备涉及复杂的反应、成核、生长等过程，每个步骤都会对薄膜质量产生关键影响，通常需要更高的可控度和精确度。这种气相沉积机制的改变促使研究人员需要重新考虑气相氛围的具体影响以及如何通过更精准的气体净化技术来维持稳定气氛环境。传统气体净化策略通常依赖真空抽气过程，该过程需采用级联式真空泵实现。尽管操作流程看似简单，但这些方法在杂质去除效率和能力方面存在显著局限（图1a）。此外，延长真空抽气时间会大幅增加设备复杂度并延长气体净化周期。开发高效且普适性强的气体净化技术将有望突破气相杂质引发的薄膜和器件性能衰减，推动高性能热蒸发发光二极管、太阳能电池及其他光电子器件的研发，促进高集成度的光电子设备发展。

研究亮点

本文提出了一种全新的一步式气相净化技术，成功实现了有害气相杂质组分占比低于1%的高纯气相氛围（图1b，c）。这种技术主要是依赖于预蒸发高反应活性的金属铝（Al），来实现气相杂质的消耗。整个过程无需额外使用其他材料或设备辅助。为了理解整个气相净化的机理和过程，本文通过原位残余气体分析技术（RGA），揭示并证明了净化过程中气相杂质的组成特征及反应竞争机制。在整个流程中，气相杂质通过活性区分，先后与Al进行反应，进而产生无害的气体或低反应活性的化合物（图1d）。气相杂质的去除使得氛围更加纯净，同时，形成的无害气体和化合物都具有较为稳定的状态，可以辅助腔体洁净氛围的保持。最终RGA测试结果表明，所有有害气相组分的压力均显著降低且不超过10⁻⁶ Pa，真空腔室内有害气相杂质的压强总和占比不超过总压强的1%，为后续制备高性能光电子器件提供了洁净、稳定的腔体氛围。

图1：一步式气相净化示意图。a-c 不同状态真空室示意图，包括未经处理的真空室(a)、一步式蒸汽纯化过程中的真空室(b) 以及处理后的真空室(c) 。d一步式蒸汽纯化不同阶段的示意图。

为验证这一策略对实际器件的影响，研究团队首先对蒸发工艺要求严苛的钙钛矿薄膜及发光二极管进行了制备。通过时间分辨荧光寿命测试（TRPL）、扫描电镜（SEM）、X射线衍射（XRD）等表征，证明了气相杂质会恶化钙钛矿发光材料的结晶质量，并诱导更多缺陷产生，从而使得薄膜和器件的光电性能产生严重衰减。而在经过气相净化后，所制备的PeLED具有显著的性能提升，包括了超过20%的外量子效率（EQE）和超过5倍的寿命提升。此外，该方案同样在集成显示器性能提升上具有极大的潜力（图2a-c）。本文还制备了对应的有源矩阵驱动的集成钙钛矿显示器，经过气相净化处理的设备具有显著提升的操作稳定性和存储稳定性（图2d-e），为实际集成设备的优化提供可行性。这些结果均证明了本文对气相氛围理解的准确性及所提出方案的有效性。

图2：有源驱动PeLED显示面板的演示。a 经过气相净化处理的显示面板上亮度均匀性。b 经过气相净化处理PeLED显示面板的静态图像显示效果。c 经过气相净化处理的显示面板用于显示具有灰度信息的花朵。d-e 有源驱动PeLED显示面板的对比：操作稳定性(d)与存储稳定性(e)。

研究团队还将其拓展到了传统的OLED器件及显示面板的研究中，从而证明该方案的普适性。最终结果显示，处理过的OLED的光谱得到改善，同时操作寿命提高了100倍以上，并解释了这种性能优化源于一步气相净化对气相水和氧气的抑制（图3a-c）。类似的，本文也从原型样机角度对有源矩阵OLED显示面板的稳定性情况进行了验证演示。在不影响OLEDs显示效果的情况下（图3d），经过处理的有源矩阵OLED显示面板在一小时内亮度几乎不变，表现出明显稳定性提升（图3e）。这些结果初步证明了该气相净化策略在不同原理的其他热蒸发光电器件中的有效性。

图3： OLED与有源驱动OLED显示面板的演示。a-c 处理后OLED的性能表现：光谱(a, b)及寿命(c)。d 经过气相净化处理OLED显示面板的静态图像显示效果。e 有源驱动PeLED显示面板的工作稳定性对比。

总结与展望

本研究聚焦真空腔室内的气氛环境，提出了一种一步式气相净化方法。通过采用原位RGA表征技术验证了该方案的工作机制及其有效的净化能力，使气相杂质总占比可降至1%以下。得益于净化后的真空腔室环境，研究团队验证了低气相杂质浓度对热蒸发钙钛矿薄膜中缺陷生成的抑制，并成功实现了EQE超过20%的绿色热蒸发PeLEDs。此外，集成显示面板在运行稳定性和存储稳定性方面的提升，表明该技术具有实际应用的商业潜力。为了验证该方案的普适性，研究团队还展示了该策略在OLED中的实际情况，并实现了蓝色OLED极其显著的运行寿命提升。本研究从气相氛围的角度入手，为通用高性能光电子器件中气氛环境与气相反应机制提供了深入见解与关键考量，并将推动高性能热蒸发光电子器件与集成设备进一步发展，加速微显示、近眼显示等技术的实际应用。（来源：LightScienceApplications微信公众号）

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41377-026-02226-4