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南开大学,再发Nature!

2022-12-30
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《自然》期刊审稿人对该研究给予高度评价:“这项工作为钙钛矿量子点合成及应用提供了一种具有高度普适性及精确可控性的全新范例;更为重要的是,该策略以固体薄膜的形式实现了这一点,而这是电致器件制造所必须的组成部分;由于此前无法获得足够小的高质量导电量子点固体,领域发展多年来一直受到制约,这项研究以一种普适的方式妥善地解决了这个问题;这项研究代表着这一领域的重大突破!”


12月22日,南开大学化学学院袁明鉴研究员、陈军院士带领的科研团队与加拿大多伦多大学Edward Sargent教授课题组合作,围绕高性能半导体量子点固体合成中面临的关键科学问题,通过表面有机配体化学结构理性设计,发展了高性能导电钙钛矿量子点固体薄膜制备全新策略,实现了多材料、跨尺寸的钙钛矿三原色电致发光器件的可控构筑。研究成果以“Synthesis-on-Substrate of Quantum Dot Solids”为题发表在最新一期《自然》(Nature)杂志。南开大学为第一通讯单位,袁明鉴研究员、陈军院士、多伦多大学Edward Sargent教授为该论文通讯作者。

量子点是一种尺寸微小、直径在2-10纳米(10-50个原子)之间的半导体纳米晶体材料。由于其颗粒半径小于或者接近波尔半径,体系中的电子或空穴的运动相当于被限制在量子力学势阱中,原本在宏观体系下准连续的能级分布变得分立,量子点因此展现出一系列量子化效应,称为量子尺寸效应。因其这种独特的性质,量子点材料得到了深入研究和广泛应用。自上世纪70年代中期以来,利用量子点代替传统的半导体材料实现高性能光电器件成为非常重要的研究方向。

在传统胶体量子点合成中,为了维持其在溶剂中的稳定性,量子点表面会被引入大量有机配体。然而,有机配体的存在极大地阻碍了电荷在量子点之间的输运效率,严重限制了量子点材料在众多半导体光电器件中的应用潜力。因此,深挖量子点形成机制与材料内部载流子动力学输运行为,开发“新材料、新工艺、新器件”是实现高性能量子点光电器件、推动半导体量子点技术革新的必然需求。

南开大学化学学院袁明鉴研究员、陈军院士带领的科研团队,长期聚焦高性能半导体光电转换材料及器件研究。在持续探索适配于器件制造工艺的钙钛矿半导体材料合成新方案的过程中,研究团队发现,通过改变有机配体结构,可以有效诱导钙钛矿材料维度信息、电子能带结构、激子效应等理化特性转变。基于上述发现,研究团队随后对配体进行理性设计,创造性地实现了在基底表面上的高质量导电钙钛矿量子点固体薄膜原位合成全新策略。由于该策略可以有效避免传统量子点制备策略中所面临的配体易脱落、配体过多致使光学性能差、导电性差等问题,所合成的钙钛矿量子点固体薄膜具有极佳的光学与电学性质。同时,研究团队将该高性能钙钛矿量子点固体薄膜材料引入电致发光二极管器件中,并成功实现了具有高能量转换效率的三原色电致发光二极管的可控构筑。

该研究是从化学学科出发,利用光学、凝聚态物理、半导体器件等交叉学科手段,成功实现半导体材料理化性质可控调节的典型案例。该成果打破了传统量子点合成策略的瓶颈,发展了全新的原位合成量子点固体薄膜新原理与新方法。

《自然》期刊审稿人对该研究给予高度评价:“这项工作为钙钛矿量子点合成及应用提供了一种具有高度普适性及精确可控性的全新范例;更为重要的是,该策略以固体薄膜的形式实现了这一点,而这是电致器件制造所必须的组成部分;由于此前无法获得足够小的高质量导电量子点固体,领域发展多年来一直受到制约,这项研究以一种普适的方式妥善地解决了这个问题;这项研究代表着这一领域的重大突破!”

姜源植博士、孙长久、徐健博士和李赛赛为该论文共同第一作者。上述研究工作得到了科技部重点研发计划、国家自然科学基金委创新群体、国家杰出青年科学基金、中国博士后科学基金和物质绿色创造与制造海河实验室的资助。

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