文献信息

文献正文

钙钛矿发光二极管（PeLED）是近年来显示与照明领域最受瞩目的研究方向之一。近日，南京工业大学黄维院士、陈永华教授、郭庆勋副教授团队在这一领域取得了重大突破，相关成果以“Sequential layer-by-layer deposition for high-performance fully thermal-evaporated red perovskite light-emitting diodes”为题发表于国际顶级学术期刊《自然·通讯》（Nature Communications）。

 图1：钙钛矿薄膜的逐层蒸发结晶工艺示意图和器件性能表征结果

该团队成功开发出一种逐层热蒸发的新策略，将红色钙钛矿发光二极管的外量子效率（EQE）从此前不足2%提升至9%，亮度超过1500 cd/m²。同时，他们还实现了深红光（730 nm）器件7.27%的EQE，以及50×50 mm²的大面积均匀发光薄膜与图案化器件。此项研究为热蒸发钙钛矿发光二极管的商业化应用奠定了重要基础。

钙钛矿发光二极管凭借可调带隙、高缺陷容忍度、高量子产率等优异光电特性，在短短几年内，绿光和蓝光器件的EQE已从不足0.1%飙升至超过30%。然而，这些高性能器件大多依赖溶液法制备，该工艺在大面积薄膜均匀性与制备可重复性上存在固有短板。

相比之下，热蒸发技术可以直接借用现有OLED显示产业的生产线，在大规模制造方面具有巨大潜力。事实上，热蒸发制备的绿光和蓝光PeLED已分别实现了16.40%和10.41%的EQE。但热蒸发型红光 PeLED 的性能长期陷入瓶颈，外量子效率（EQE）一直低于 2%。

目前主流的热蒸发工艺采用多源共蒸发技术，多种前驱体同步蒸镀并在基底表面原位反应结晶。这种方法面临三大难题：结晶过程难以控制、组分复杂（通常超过三种材料）、铵盐（如MABr、FABr）蒸发速率不稳定。对于红光钙钛矿而言，这些挑战尤为突出。

为了攻克上述难题，研究团队采用逐层（Layer-by-Layer, LBL）蒸发策略——先依次沉积FAI、CsBr、5-氨基戊酸（5-AVA）添加剂和PbI₂多层薄膜，再通过后退火促使各层组分充分扩散、固相反应生成钙钛矿活性层。其中，5-AVA被证明是关键“调控剂”：它能有效抑制真空沉积过程中的原位界面反应，延缓退火时的结晶速度，并通过羧基与Pb²⁺配位钝化缺陷。团队综合运用X射线衍射（XRD）、掠入射广角X射线散射（GIWAXS）、扫描电子显微镜（SEM）和瞬态吸收光谱等手段，系统验证了5-AVA在改善结晶质量、降低缺陷密度和提升辐射复合效率方面的显著效果。得益于这一策略，他们成功制备出波长可调（670 nm至730 nm）的高质量钙钛矿发光薄膜。

钙钛矿薄膜的发光性能归根结底取决于其晶体质量和缺陷密度。为此，研究团队利用共聚焦荧光强度成像（PL Mapping）技术对薄膜进行全域性能表征：即以激光对薄膜表面进行逐点扫描，采集不同位置的光致发光（PL）信号强度，最终生成二维发光强度分布云图。

测试结果表明，无论是对照薄膜还是目标薄膜，整体上都表现出良好的PL均匀性，直观验证了逐层蒸发工艺在制备大面积均匀薄膜上的技术优势。而引入5-AVA后，PL强度进一步提升，分布也更加均匀。这意味着5-AVA不仅提高了发光效率，还让薄膜的宏观均匀性得到了改善。

相较于PL强度面扫描，荧光寿命成像（FLIM）可实现更深层次的载流子动力学表征。研究团队采用时间分辨光致发光成像（TRPL Mapping）技术，采集薄膜不同微区的荧光寿命。

荧光寿命对薄膜内部缺陷高度敏感：缺陷密度越高，非辐射复合通道越多，载流子损耗速率越快，测得的荧光寿命越短。借助全域荧光寿命分布图，可直观可视化薄膜不同区域的缺陷分布差异。

测试结果显示，引入5-AVA改性后的薄膜平均荧光寿命显著提升，直接证实 5-AVA 可有效钝化钙钛矿薄膜缺陷、降低整体缺陷密度。缺陷数量减少后，光生载流子更多以辐射跃迁形式复合发光，大幅削弱了被缺陷陷阱捕获并以热能形式耗散的非辐射损耗。

研究团队设计了一组纵向均匀性验证实验：分别从薄膜正面（钙钛矿活性层一侧）与背面（玻璃基底一侧）进行激光激发，采集两侧的PL光谱与荧光寿命信号。测试结果表明，改性后目标薄膜正反两面PL发光强度基本保持一致，且整体信号强度均优于对照组薄膜。该结果充分证明，逐层蒸发工艺制备的钙钛矿薄膜除平面横向成膜均匀外，沿膜厚垂直方向同样具备优异的组分与结晶均一性，整层薄膜在厚度维度上发光性能高度一致。在整套精细化光学表征测试过程中，创锐光谱 FLIM300多功能激光扫描共聚焦荧光成像系统提供了核心设备支撑。 FLIM300为一体化高端科研级表征设备，集成荧光强度成像、荧光寿命成像、载流子迁移成像、荧光光谱与拉曼光谱同步采集、光电流成像、电致发光成像等多项测试功能。其核心技术指标如下：

·TCSPC（时间相关单光子计数）模块时间精度达7 ps，时间分辨率≤70 ps；

·最高空间分辨率≤260 nm，可分辨微纳尺度的结构差异；

·扫描成像范围最高4096×4096像素，覆盖大面积样品；

·兼容375 nm至940 nm多种激发波长，适配不同材料的测试需求。

在本研究中，FLIM300系统主要完成了三项核心表征工作：

FLIM300以405 nm激光为激发源，对钙钛矿薄膜进行逐点扫描，同时采集每个位置的荧光强度和荧光寿命数据。可形象理解为对薄膜同时开展 “发光亮度检测” 与 “载流子健康状态检测”：PL 强度直接体现辐射发光效率，荧光寿命则直观反映薄膜内部缺陷密度水平。

FLIM300的高空间分辨率使得团队能够统计每个薄膜上数千个微区的PL强度分布，从而定量评价薄膜的均匀性。这种微观层面的数据为工艺优化提供了坚实依据。

基于FLIM300测得的全域荧光寿命衰减曲线，结合配套拟合分析方法，可精准拆分出陷阱诱导的非辐射复合速率常数与双分子辐射复合速率常数。动力学拟合结果表明：引入5-AVA添加剂改性后，陷阱介导非辐射复合速率由1.14×10⁸ s⁻¹降至7.76×10⁷ s⁻¹，而辐射复合速率从7.02×10¹¹ s⁻¹提升至9.67×10¹¹ s⁻¹。从载流子动力学层面阐明了器件光电性能显著提升的内在物理机制。

高精度荧光寿命成像所输出的量化数据是本研究不可或缺的关键支撑。依托 FLIM300系统，研究团队得以在微观尺度直观可视化5-AVA的缺陷钝化效应，同时完成薄膜横向平面与纵向厚度两个维度成膜均匀性的定量佐证。

从逐层热蒸发工艺革新、5-AVA添加剂精准调控，再到FLIM300精细化表征验证，整套方案为热蒸发红光钙钛矿LED打通了研发路径。现已实现50×50 mm² 大面积均匀薄膜与图案化器件制备，距离产业化更近一步，未来有望赋能新一代高清显示技术。

技术参数

关于创锐

欢迎关注创锐光谱官网，

了解更多品牌产品及应用，

随时浏览创锐新动态。

欢迎公众号评论留言或致电咨询：

18698665927—刘经理。