一、摘要

金属卤化物钙钛矿发光二极管是低成本全彩显示的理想平台，但实现高性能纯红光发射仍具挑战。本研究采用多功能分子 4-(三氟甲基) 苯磺酰胺（CF₃-BSA），对溴 / 碘混合准二维钙钛矿进行结晶调控，该分子可同时与有机间隔阳离子、Pb²⁺离子及卤离子配位。前驱体溶液中，大位阻与有序分子组装协同作用，主导纳米晶形成，抑制缺陷生成、卤离子迁移并提升激子结合能。所得发光二极管实现 635 nm 纯红光发射，峰值外量子效率达 30.2%，最大亮度超 25000 cd・m⁻²，半衰期为 8426 min。实现性能媲美量子点或有机发光二极管的钙钛矿发光二极管，是商业化进程中的重要里程碑，也为突破传统发光二极管技术限制提供新机遇。

二、研究背景

下一代高分辨率显示领域，金属卤化物钙钛矿发光二极管（PeLEDs）凭借光谱可调、色纯度高、低温溶液可加工等优势，成为极具吸引力的技术方向。随着光提取效率优化与缺陷抑制技术的持续突破，PeLEDs 外量子效率（EQE）已突破 30%，逐步缩小与量子点发光二极管（QLED）、有机发光二极管（OLED）等成熟技术的性能差距。Rec. 2020 显示标准要求纯红光 PeLEDs 发射波长约 635 nm，但兼具高亮度与高效率的纯红光 PeLEDs 仍难以实现。胶体钙钛矿纳米晶因载流子限域特性，具备优异的光致发光量子效率（PLQE），被认定为高性能纯红光 PeLEDs 的理想发光材料。一步溶液法制备的准二维钙钛矿同样展现出巨大应用潜力，其由不同带隙的卤化铅八面体（量子阱）与双层有机间隔阳离子构成，独特的能量漏斗结构可促使光生载流子从宽带隙向窄带隙位点快速高效转移，相比三维钙钛矿，其电荷传输特性与辐射复合效率更优。结合纳米晶与准二维钙钛矿的双重优势，开发基于准二维钙钛矿纳米晶的纯红光 PeLEDs，兼顾高效载流子转移、复合特性与高光提取效率，是实现高性能纯红光 PeLEDs 的可行路径。

三、研究内容

本研究引入多功能分子 4-(三氟甲基) 苯磺酰胺（CF₃-BSA），利用其大位阻特性与前驱体溶液中的有序分子组装行为，通过同时与有机间隔阳离子、Pb²⁺离子及卤离子相互作用，实现溴 / 碘混合准二维钙钛矿薄膜的结晶调控。该策略可精准调控准二维钙钛矿的光电、晶体与形貌特性，使其形成纳米晶结构。所得准二维钙钛矿纳米晶缺陷密度低、相分布均匀、卤离子迁移受抑制、激子结合能提升。最终制备的纯红光 PeLEDs 峰值 EQE 达 30.2%，最大亮度超 25000 cd・m⁻²，初始亮度 100 cd・m⁻² 时半衰期达 8426 min，创下纯红光 PeLEDs 稳定性新纪录。该策略还可制备大面积器件，1.0 cm² 和 12.25 cm² 器件峰值 EQE 分别达 25.6% 和 20.5%，性能比肩顶级红光 OLED 与 QLED。

四、结果讨论

4.1 器件性能

准二维钙钛矿薄膜采用一步旋涂法制备，前驱体由苯氧乙基碘化铵（POEAI）、碘化铅（PbI₂）、溴化铅（PbBr₂）、碘化铯（CsI）及不同含量 CF₃-BSA 构成。CF₃-BSA 相对 PbI₂与 PbBr₂总摩尔量占比为 4% 时器件性能最优，记为 CF₃-BSA 基器件，无添加组为对照组。两组器件电致发光（EL）峰均位于 635 nm，CIE 色坐标为 (0.69, 0.31)，符合 Rec. 2020 纯红光标准。CF₃-BSA 基器件峰值 EQE 达 30.2%，最大亮度超 25000 cd・m⁻²，远优于对照组（峰值 EQE 15.9%、最大亮度 7866 cd・m⁻²），在 630–650 nm 纯红光区间，该性能领先已报道的三维钙钛矿、准二维钙钛矿及胶体钙钛矿纳米晶基器件。基于该策略还制备了 654 nm、667 nm 深红光器件，EQE 分别达 31.5%、35.6%。大面积器件方面，1.0 cm² 和 12.25 cm² 器件峰值 EQE 分别为 25.6%、20.5%，发光均匀性优异。

4.2 器件稳定性

未封装器件在氮气填充手套箱中测试稳定性：对照组器件在 5 mA・cm⁻² 恒定电流下运行 90 min，EL 峰从 635 nm 红移至 669 nm，半高宽从 45 nm 增至 53 nm，存在严重卤化物偏析；CF₃-BSA 基器件 EL 光谱几乎无变化，卤离子迁移被有效抑制。稳定性测试显示，对照组初始亮度 100 cd・m⁻²、1000 cd・m⁻² 时半衰期（T₅₀）分别为 510 min、142 min；CF₃-BSA 基器件对应半衰期达 8426 min、4764 min，10000 cd・m⁻² 时仍有 2400 min，为当前最稳定纯红光 PeLEDs 之一。机理研究表明，CF₃-BSA 基钙钛矿卤离子迁移活化能达 452 meV，显著高于对照组（266 meV），通过消除空位介导的迁移路径、增强卤离子局部结合作用，从本质上抑制离子传输，提升器件稳定性。

4.3 薄膜光学特性

共聚焦 PL 成像显示，对照组薄膜存在微米级发射不均，暗区对应缺陷富集区域，易引发非辐射复合；CF₃-BSA 基薄膜 PL 分布均匀，无明显暗区，载流子寿命更长，21.8 mW・cm⁻² 激发强度下 PLQE 最高达 95.7%，缺陷介导的非辐射损耗被有效抑制。瞬态吸收光谱表明，准二维钙钛矿中载流子从低 n 相向高 n 相快速转移，CF₃-BSA 可抑制低 n 相生成，加快载流子转移动力学，提升能量转移效率。变温 PL 与紫外 - 可见吸收光谱进一步证实，CF₃-BSA 有效抑制低 n 相形成，优化相分布，利于电荷传输。

4.4 薄膜生长机制

相互作用区域指示函数（IRI）分析显示，CF₃-BSA 可通过多重作用与前驱体结合：酰胺氢与碘离子形成 N-H---I 氢键、氟原子与 POEA⁺形成 C-F・・・H⁺氢键、磺酰氧与 Pb²⁺发生螯合作用，以此调控结晶动力学。原位 PL 测试表明，CF₃-BSA 加速高 n 相形成，结晶过程更均匀。SEM 显示，CF₃-BSA 使薄膜从连续多晶（清晰晶界）转变为离散纳米晶，晶粒尺寸随添加量增加从 21.6 nm 降至 10.1 nm，激子结合能提升，量子限域效应增强。XRD 与 GIWAXS 证实，CF₃-BSA 提升薄膜结晶度、择优取向，减少随机取向晶粒，抑制低 n 相生成，利于载流子输运。

4.5 添加剂设计原理

对比四种磺酰胺类添加剂，CF₃-BSA 偶极矩低（3.90 D）、位阻大，可通过氢键与 π-π 堆积形成有序分子组装，有效调控间隔阳离子扩散、抑制低 n 相生成，同时高效钝化 Pb²⁺缺陷，提升器件性能。该策略具有通用性，可拓展至天蓝光、绿光 PeLEDs，均实现性能提升。

五、总体结论

本研究提出多功能分子 CF₃-BSA 调控纯红光准二维钙钛矿薄膜生长的新策略。CF₃-BSA 兼具大位阻与有序分子组装特性，可同时与 POEA⁺间隔阳离子、Pb²⁺离子及卤离子相互作用，调控结晶动力学，诱导准二维钙钛矿形成纳米晶形貌。该分子通过钝化未配位 Pb²⁺缺陷、提升薄膜结晶度与 PLQE，显著增强器件稳定性与性能；同时调控相分布，抑制低 n 相生成，提升能量转移效率。最终制备的纯红光 PeLEDs 实现 30.2% 的峰值 EQE、超 25000 cd・m⁻² 的高亮度及 8426 min 的超长半衰期，12.25 cm² 大面积器件 EQE 仍超 20%。本研究为准二维钙钛矿薄膜生长动力学调控提供普适性指导，助力高性能 PeLEDs 发展。

六、图文概览

图 1、纯红光发光二极管的性能；

图 2、发光二极管的稳定性；

图 3、钙钛矿薄膜的光学特性；

图 4、CF3-BSA 对准二维钙钛矿薄膜生长的影响；

图 5、类似添加剂与钙钛矿的相互作用；

七、作者信息

所有作者

Jibin Zhang, Tianjun Liu, Qichun Gu, Shuailing Lin, Jian Mao, Zimu Wei, Meng Wang, Yang Lu, Bo Cai, Zher Ying Ooi, Alessandro James Mirabelli, Linyuan Lian, Miguel Anaya, Ying Liu, Mochen Jia, Xu Chen, Yanbing Han, Xinzhen Ji, Yiwei Zhang, Zhuangzhuang Ma, Xinping Zhang, Xin Zhou, Xinjian Li, Fanglong Yuan*, Lintao Hou*, Chongxin Shan*, Neil C. Greenham, Samuel D. Stranks, Zhifeng Shi*

通讯作者及单位

1. Zhifeng Shi
   *Key Laboratory of Materials Physics of Ministry of Education, School of Physics, Zhengzhou University, Zhengzhou 450001, China.
2. Chongxin Shan
   *Key Laboratory of Materials Physics of Ministry of Education, School of Physics, Zhengzhou University, Zhengzhou 450001, China.
3. Fanglong Yuan
   *Key Laboratory of Theoretical & Computational Photochemistry of Ministry of Education, College of Chemistry, Beijing Normal University, Beijing, China.
4. Lintao Hou
   *Guangzhou Key Laboratory of Vacuum Coating Technologies and New Energy Materials, College of Physics and Optical Engineering, Jinan University, Guangzhou, China.

八、论文链接

https://doi.org/10.1038/s41467-026-72733-w

九、版权声明

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