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近日，电子系王恺老师课题组在钙钛矿单晶光电器件领域和量子点显示领域取得研究新进展，研究成果分别发表于纳米领域和光学领域顶级学术期刊！
一、在钙钛矿单晶光电器件领域取得研究新进展
近日，南方科技大学电子与电气工程系副教授王恺课题组针对新型光电器件中载流子传输层与金属卤化物钙钛矿单晶异质原位集成的关键问题，在无机电子传输层上异质原位生长高质量全无机金属卤化物钙钛矿单晶方面取得研究进展，研究成果发表于纳米领域顶级学术期刊Advanced Science (IF:15.804)。
金属卤化物钙钛矿具有缺陷容忍度高、能带与激子结合能易调控、量子效率高、易制备成本低等优点，作为一类新型的光电材料在LED、激光、太阳能电池、光电探测、场效应晶体管等领域具有广泛的应用前景。相比于稳定性较差的钙钛矿纳米晶材料，钙钛矿单晶材料具有无晶界、缺陷态密度低、载流子寿命长、稳定性好等优点，被誉为极具前景的光电材料。然而，目前全无机钙钛矿单晶都是在非载流子传输材料衬底上或者在溶液中生长，而对于光电器件中经典的电子传输层-钙钛矿层-空穴传输层“三明治”结构，通常需要将全无机钙钛矿单晶进一步剥离并转移至传输层，这样不仅使整个器件制备过程变得复杂，同时也对钙钛矿单晶作为有源层造成损伤或缺陷，并使有源层与传输层之间的界面劣化，影响载流子的有效输运。在传输层上直接异质原位生长全无机钙钛矿单晶将是解决上述难题的有效手段，但也是该领域面临的主要挑战之一。
王恺课题组通过两步溶液旋涂法在全无机电子传输层立方相氧化锌 (c-ZnO) 纳米晶上成功原位生长制备出了CsPbBr3钙钛矿单晶阵列。高分辨透射电子显微镜（HRTEM）和选区电子衍射（SAED）分析表明，c-ZnO呈闪锌矿立方相结构，钙钛矿前驱体中的Cs+、Pb2+和Br- 会沿着该立方相结构和取向成键，先在c-ZnO表面形成一层钙钛矿籽晶，新形成的钙钛矿晶体逐层堆叠并继续生长，实现c-ZnO纳米晶诱导原位生长立方相CsPbBr3钙钛矿单晶，并形成了由CsPbBr3钙钛矿单晶和c-ZnO构成的异质结 (100)CsPbBr3 || (100)c-ZnO。同时，CsPbBr3与c-ZnO的晶格常数分别为5.65 Å与4.55 Å，表明即使晶格失配度达到19%，仍可以异质原位生长获得高质量的全无机钙钛矿单晶，为拓展衬底选择范围提供了基础（图1与图2）。
图1. (a) CsPbBr3单晶/c-ZnO界面的SEM截面图；(b) CsPbBr3单晶AFM图；（c）CsPbBr3单晶/c-ZnO界面HRTEM图；（d）CsPbBr3单晶的HRTEM图；（e）c-ZnO的HRTEM图；（f）CsPbBr3单晶的SAED图；（g）c-ZnO的FFT图.
图2. CsPbBr3单晶在c-ZnO上异质原位生长机理示意图.
在单晶特性研究中，研究人员将CsPbBr3钙钛矿纳米晶和CsPbBr3钙钛矿单晶进行对比分析，通过广角X射线散射（GIWAXS）中100布拉格峰的取向分析发现，CsPbBr3钙钛矿纳米晶体存在统计意义的平行于衬底的取向排列，这是由于纳米晶体的大量堆砌带来的整体效应；而CsPbBr3钙钛矿单晶阵列显示出强烈的单晶个体带来的散射亮斑，沿着100散射环分布，表明单晶的晶面生长取向受到衬底对应取向的影响（图3）。进一步研究表明，相比于钙钛矿纳米晶，原位生长的CsPbBr3钙钛矿单晶具有更窄的能量态分布，从而实现了更高的激子扩散速率。
图3. (a, b) CsPbBr3纳米晶和CsPbBr3单晶阵列的广角X射线衍射（GIWAXS）；（c）(100)晶面方位积分图；（d, e）CsPbBr3纳米晶和CsPbBr3单晶阵列的小角X射线衍射（GISAXS）；（f）（d）和（e）对应的Yoneda峰位置的水平切割（结构分析）。
该研究工作证实了在c-ZnO无机电子传输层上异质原位生长高质量全无机钙钛矿单晶的可能性，为实现钙钛矿单晶与更多无机载流子传输层更好地集成迈出了重要一步，使其在制备高效稳定的新型钙钛矿单晶光电器件方面发挥更大潜力。
二、在量子点显示领域取得研究新进展地方
近日，南方科技大学电子与电气工程系副教授王恺课题组在超高蓝光功率密度下高稳定性量子点方面取得研究进展，研究成果发表于光学领域顶级学术期刊Advanced Optical Materials (IF:7.125)。
近年来，随着光电性能优异（量子效率高、半峰宽窄、能带易调节、波长精确可调）的量子点（Quantum Dots，QDs）发光材料的快速发展，为LED材料与器件的发展注入了新的活力，将有力地推动显示和照明技术向更高性能（低功耗、广色域、柔性）和更低成本的方向快速发展。然而，量子点LED实用化的一重要瓶颈是其发光稳定性。在光照和湿气情况下，量子点表面原子容易与氧发生光氧化反应，导致量子点表面猝灭态密度的增加，尤其是将量子点作为光致发光材料直接与蓝光LED芯片接触时（On-Chip型），蓝光功率密度往往能达到2000mW/cm2，比目前商业化量子点膜中的蓝光功率密度（15~20mW/cm2）要高两个数量级，对量子点稳定性形成了极大挑战。
王恺课题组创新地在CdZnSeS/ZnS QDs@SiO2表面通过流态粉末原子层沉积技术生长Al2O3保护层，通过表面硅羟基富余调控，为三甲基铝提供了良好的化学吸附，形成极其致密的Al2O3层，有效提高了量子点抵御水氧等侵蚀的能力。同时， Al2O3沉积过程中巧妙利用了SiO2表面的硅羟基，通过反应消耗硅羟基从而阻断了SiO2表面的水氧通道，进一步提升稳定性。QDs@SiO2@ Al2O3实现了双重致密包覆阻隔水氧，显著减少猝灭态密度，极大地提高了量子点稳定性，外推寿命L50=4969h@2000mW/cm2@450nm蓝光，为目前在超高蓝光功率密度下量子点的最长工作寿命，在On-Chip型量子点LED/Micro-LED实用化的道路上前进了一大步（图1）。并且，通过南科大初创公司深圳扑浪科技有限公司研制了基于QDs@SiO2@ Al2O3新型量子点复合材料的手机样机，显示屏色域达到115% NTSC，相比普通LED背光手机（70% NTSC）提高了64%（图2）。
图1. (a) 通过流态粉末原子层沉积技术生长实现QDs@SiO2@ Al2O3的示意图；(b) 各种量子点强蓝光（2000mW/cm2@450nm）照射老化的衰减特性.
图2. (a)量子点作为光转换膜的手机背光结构；量子点背光手机和普通LED背光手机的(b)色域图和(c)显示效果对比图.
论文共同第一作者为南科大电子系访问博士生方凡和华中科技大学博士生刘梦佳，南科大电子系王恺副教授和华中科技大学陈蓉教授为论文共同通讯作者，南方科技大学为第一单位。合作作者为南科大电子系孙小卫教授和徐冰研究助理教授，南科大前沿与交叉科学研究院吴丹研究助理教授，华中科技大学曹坤副教授，东南大学雷威教授和德国慕尼黑工业大学Peter Müller-Buschbaum教授。
本研究得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、广东省自然科学杰出青年基金、广东省重点领域研发计划项目、广东省普通高校量子点先进显示与照明重点实验室和深圳市科创委的资助。
