LED｜研究人员利用MOF结构稳定钙钛矿纳米晶体，进而改善LED的性能

CINNO

2021年9月17日 12:08

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LED｜研究人员利用MOF结构稳定钙钛矿纳米晶体，进而改善LED的性能的图3

CINNO Research产业资讯，近日，美国能源部 (DoE) 阿贡国家实验室、布鲁克海文国家实验室、洛斯阿拉莫斯国家实验室、SLAC 国家加速器实验室和台湾地区中央研究院的研究人员报告了一种LED用稳定钙钛矿纳米晶体的制作方法。

图1. 利用嵌入金属-有机框架中钙钛矿纳米晶体（绿色）制成的发光二极管

据外媒报Perovskite-info报道，迄今为止，钙钛矿纳米晶体的不稳定性一直是这种材料用于LED发光器件等应用的主要问题。不过最近，该研究小组成功将这种纳米晶体稳定在一种称为金属-有机框架或简称MOF的多孔结构中。基于这种结构制作出的LED仅使用一些储备极其丰富的材料和容易达成的室温条件，在未来有希望用于低成本的电视和消费电子产品，以及一些性能非常好的伽马射线成像设备。

“我们通过将钙钛矿材料稳定在MOF结构中，彻底解决了传统设计中这一类材料的稳定性问题，”美国能源部科学用户设施办公室纳米材料中心 (CNM) 的科学家Xuedan Ma说道，“我们的研究表明，这种方法可以显著提高这种发光纳米晶体的亮度和稳定性。”

洛斯阿拉莫斯大学前 JR Oppenheimer 博士后研究员 Hsinhan Tsai 补充说：“这之前，业界曾展示过基于将钙钛矿纳米晶体固定在MOF结构概念制作的粉末材料，不过这次，我们第一次成功将其集成为LED的发光层。”

之前所有制作纳米晶体LED的尝试都因纳米晶体退化回不想看到的体相状态而以失败告终，也正是这一原因，纳米晶体用于实用LED变得不可能。这种体相的大块材料由数十亿个原子组成，而处于纳米相的钙钛矿等材料则仅由几个到几千个原子组成，因此其表现出非常大的不同。

在该研究小组提出的新方法中，他们在MOF矩阵结构内制造钙钛矿纳米晶体以稳定这种发光材料的发光性能，实际看起来好像纳米晶体被“铁丝网”裹住。他们使用框架中的铅节点作为金属前体，使用卤化物盐作为有机材料。这里卤化物盐溶液含有甲基溴化铵，它与骨架中的铅反应，并阵列内的铅核周围组装成纳米晶体。这种阵列结构可以让纳米晶体保持分离，因此它们不会相互作用和降解。这种方案使用溶液涂布的方法，成本上远低于当前广泛用于无机LED的真空处理方法。

“在这项工作中，我们首次证明了在MOF中制作稳定的钙钛矿纳米晶体，进而形成稳定LED的方案，”洛斯阿拉莫斯国家实验室集成纳米技术中心的科学家Wanyi Nie说，“我们可以借助这种方案制作出不同颜色的LED，并提高颜色纯度、增加光致发光量子产率，这些都是衡量钙钛矿材料发光性能的指标。”

该研究团队使用位于阿贡的DoE科学用户设施办公室的高级光子源 (APS)进行时间分辨的X 射线吸收光谱测量，这种技术能够让他们了解钙钛矿材料随时间的变化规律。据此，研究人员能够在电荷穿过材料时跟踪电荷，并了解发光时伴随产生的重要信息。

“我们只能通过APS强大的单一X射线脉冲和独特的计时结构来做到这一点，”阿贡X射线科学部的组长Xiaoyi Zhang说道，“我们可以借助这种技术追踪带电粒子位于微小钙钛矿晶体内的位置。”

在耐久性测试中，该材料在紫外线辐射、热和电场下表现良好，发光效率没有出现明显降低，这是电视和辐射探测器等实际应用的关键要求。

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