量子点自上世纪80年代发现以来，已广泛应用于显示等多个领域。北京大学深圳研究生院新材料学院王立刚课题组、材料学院周欢萍课题组、化学学院严纯华/孙聆东课题组与剑桥大学卡文迪许实验室Richard Friend课题组合作，成功实现了不同原子层数量子点的高效发光二极管（LED）。该LED的电致发光峰值在607-728 nm范围内可控调节，并实现了26.8%的外量子效率（EQE）。这一成果对于高清显示领域具有重要意义，并已于2025年2月14日发表于国际知名期刊《科学·进展》（Science Advances），题为“Efficient perovskite LEDs with tailored atomic layer number emission at fixed wavelengths” (DOI: 10.1126/sciadv.adp9595)。
论文发表界面截图
2023年，诺贝尔化学奖授予了3位发明胶体量子点的科学家。量子点的宽广色域、窄发射峰以及高外量子效率（EQE）是下一代高清显示技术的核心要求。传统的量子点颜色调控主要通过控制量子点的尺寸来实现，但量子点的尺寸易受到前驱体组成、反应温度/时间、配体类型/比例等合成条件的影响，导致发光波长的重复性不佳。铅卤钙钛矿量子点LED因其超高的效率、可溶液制备以及覆盖从蓝光到红外的发光波长等特点，受到了学术界和产业界的广泛关注。然而，在前期钙钛矿LED研究中，通常使用混合卤素调整带隙来调节发光波长，但在光激发或电致发光条件下，混合卤化物钙钛矿材料容易出现组分偏析，导致发光颜色不稳定。此外，能量漏斗效应的存在使得在多n值（多带隙）钙钛矿体系中，发光往往出现在小带隙、长波长的大n值相中。Förster共振能量转移和电荷转移被认为是造成这一效应的两种可能机制，但在光致发光和电致发光中，能量漏斗效应的确切机制以及两者之间的差异仍不完全明确。
不同原子层数MAPbI3钙钛矿量子点LEDs
为解决这些挑战，王立刚等人首次提出了一种基于量子点原子层数来控制其LED电致发光波长的新方案。该方案依托新发展的一种纳米材料合成方法——“快速蒸发的极性溶剂辅助的钙钛矿量子点合成法（FEPS）”。该方法通过将钙钛矿A位阳离子前驱体的极性溶剂（水、醇）溶液注入卤化铅的溶液中，利用真空闪蒸法快速除去极性溶剂，从而获得高质量的钙钛矿量子点。通过使用不同的极性溶剂和后处理方法，可得到不同原子层数的钙钛矿量子点溶液，进而制备出不同发射波长的LED。
基于此合成方法，研究团队首次实现了精准控制钙钛矿LED电致发光（EL）从3、4、5、7层原子钙钛矿量子点的发射，分别获得了主发射峰为607、638、669、728 nm的LED，用于满足不同技术标准对三基色红光波长的要求。更重要的是，由于该LED的发光波长依赖于整数的原子层数，而非易受制备条件影响的尺寸或成分，其发光波长展现出了高度的可重复性，不同批次LED的波长差别小于1 nm，显著优于传统体相准二维钙钛矿LED（其波长差异可达40 nm）。此外，该类量子点LED颜色纯度（半峰宽为29-43 nm）也明显优于传统体相准二维钙钛矿材料（半峰宽为61 nm）。该LED实现了26.8%的外量子效率，且器件具备优异的工作稳定性和颜色稳定性，在下一代超高清显示技术中具有极大的应用潜力。
载流子动力学研究表明，电荷转移是钙钛矿LED工作条件下的主要能量传递途径。在该量子点LED中，由于较慢的电荷转移和较低的Förster共振能量转移概率，电致发光比光致发光表现出明显的蓝移，即有更多光子从小n值的量子点发射。这一载流子动力学的研究也解决了在多n值体系中Förster共振能量转移或电荷转移所引起的漏斗效应的能量传递机制争论，为量子点LED的设计提供了重要的理论指导。
不同原子层数量子点LEDs的性能
该论文的第一作者为北京大学深圳研究生院新材料学院特聘研究员/助理教授王立刚、剑桥大学博士生Zher Ying Ooi及化学学院严纯华课题组已毕业的博士贾凤艳。王立刚特聘研究员、周欢萍教授、孙聆东教授、严纯华院士和剑桥大学Richard Friend院士/爵士为该论文的共同通讯作者。其他合作者来自剑桥大学、浙江大学等单位。该研究得到了英国皇家学会牛顿国际奖学金、国家自然科学基金委、科技部、北京市自然科学基金、欧洲研究理事会等机构的联合资助。
