导读

钙钛矿量子点（PQDs）因其优异的光电特性，被认为是下一代发光二极管（LEDs）的理想发光材料。然而，基于PQDs的近红外发光二极管（NIR-LEDs）仍然面临外量子效率（EQE）较低以及严重效率滚降等关键问题。这一限制主要源于一个难以兼顾的矛盾：提升薄膜电荷传输能力通常需要引入导电性更强的配体，但这往往会破坏PQDs的表面结构完整性。

近日，苏州大学廖良生教授与王亚坤教授团队提出了一种创新的离子液体介导表面态重构策略，可同时实现PQDs表面的稳定化与电荷传输能力增强。通过该方法，PQDs薄膜的缺陷密度降低了两倍，电导率提升近一个数量级，从而实现了更加平衡的载流子注入与高效的辐射复合，使得NIR-LEDs实现了24.8%的创纪录EQE，同时在10 W sr-¹ m-²的高辐照度下仍可保持约20%的EQE。基于该策略制备的大面积（900 mm²）器件也可实现接近20%的EQE，并且在生物医学成像和信息加密等领域显示出了应用潜力。相关研究成果以“Ion agent mitigates efficiency roll-off in near-infrared electroluminescence for practical bioimaging and information encryption”为题发表于国际顶尖光学期刊《Light: Science & Applications》。

研究背景

在合成过程中，油酸（OA）和油胺（OAm）等长链配体在维持PQDs胶体稳定性、抑制持续生长及熟化方面发挥着关键作用。然而，这些长链分子本身具有较强的绝缘性，并且在PQDs纯化和旋涂成膜过程中容易脱落，导致新的表面缺陷暴露并形成载流子捕获中心，从而引起电流损失并降低器件性能。为改善载流子传输，传统配体交换策略通常采用更短、导电性更强的分子取代长链绝缘配体。尽管该方法能够有效提升电荷传输能力，但其过程往往依赖极性溶剂，容易破坏PQDs的晶格稳定性，诱导表面陷阱生成并引发量子点团聚。由此产生的“导电性提升”与“结构稳定性维持”之间的内在矛盾，已成为限制器件性能进一步提升的关键瓶颈。

创新研究

图1. (a)原始PQDs面临的问题以及相应NIR-LEDs中的载流子动力学和器件性能示意图。(b)离子液体介导的PQDs表面态重构策略示意图和器件性能。

本工作提出了一种离子液体介导的表面态重构策略：在PQDs纯化过程中向反溶剂中引入多功能离子液体1-甲基-3-丙基碘化咪唑鎓（MPII），制备得到MPII处理的PQDs（w/ MPII PQDs）。由于MPII本身具有液态特性，其在非极性反溶剂中具有较高溶解性，可有效降低极性溶剂对PQDs表面的损伤。理论计算结果表明，MPII与PQDs表面的结合能显著高于长链配体OAm和OA，这一特性使得MPII能够有效替代传统绝缘配体，并在PQDs表面原位构筑保护层，从而显著降低表面陷阱密度并维持其结构完整性（图1b）。与对照样品相比，经MPII处理的PQDs薄膜缺陷密度降低约两倍，从而表现出更优异的发光性能，以及明显提升的光物理稳定性。实验结果表明，经过处理的PQDs具有更高的荧光量子产率（图2a）、更好的激子利用率（图2b）以及更优的荧光稳定性（图2c-f）。

图2. (a)对照样品与MPII处理的PQDs的紫外-可见吸收和光致发光（PL）光谱。(b)对照样品与MPII处理的PQDs的飞秒瞬态吸收基态漂白信号归一化衰减动力学曲线。(c-e)对照样品与MPII处理的PQDs薄膜在85 oC、相对湿度（RH）为85%条件下老化不同时间的PL光谱，以及PL强度变化。(f)对照样品与MPII处理的PQDs薄膜的接触角（CA）。

在发光性能与晶格稳定性得到优化的基础上，该策略进一步显著提升了PQDs薄膜的导电性。受益于离子液体优异的导电特性，MPII处理后的PQDs薄膜电导率较对照样品提升近一个数量级（图3 a）。同时，瞬态电致发光（TREL）测试表明，优化后的器件对电脉冲响应更快，其电致发光强度在上升阶段增长更加迅速（τr1< τr2），说明其具有更高效的电荷传输能力，并有效抑制了由缺陷态介导的载流子捕获损失（图3b, c）。

图3. (a)对照样品与MPII处理的PQDs薄膜的电流-电压（I-V）曲线。(b)对照与MPII处理NIR-LEDs的瞬态电致发光衰减曲线。(c)图3b中对应的载流子动力学示意图。

基于MPII处理后兼具低缺陷密度、高导电性以及平衡载流子传输特性的PQDs薄膜，优化后的NIR-LEDs实现了24.8%的创纪录峰值EQE，并表现出显著抑制的效率滚降：其在10 W sr-¹ m-²辐照度下仍可保持约20%的EQE，在30 W sr-¹ m-²下仍维持约15%的EQE（图4f）。相比之下，对照器件的峰值EQE仅为14.9%，并且在5 W sr-¹ m-²时便出现约40%的效率衰减。

图4. (a)所制备的NIR-LEDs的器件结构和界面SEM图像。(b)优化器件的电致发光（EL）光谱。(c)图3b中对应的载流子动力学示意图。(d-f)对照与MPII处理NIR-LEDs的电流密度-电压（J–V）、辐照度-电压以及EQE-辐照度曲线。(g-i)优化器件作为近红外光源进行手掌静脉成像的示意图以及实际图像。

将该策略进一步拓展至大面积（900 mm²）器件后，所得NIR-LEDs依然实现了高达19.9%的EQE以及9.5 W sr-¹ m-²的最大辐照度。基于这些高性能NIR-LEDs最终可以实现清晰的手掌静脉识别成像（图4g-i），以及信息加解密应用（图5），充分证明了高EQE与高辐照度对于NIR器件实际应用的重要意义。

图5. 大面积NIR-LEDs在信息加解密领域的应用。

总结与展望

本研究提出了一种离子液体介导的表面态重构策略，通过引入多功能离子液体MPII，实现了对PQDs表面缺陷的有效钝化，并在其表面原位构筑保护层，从而获得具有稳定表面态的PQDs，成功平衡了导电性提升与结构稳定性维持之间的矛盾。这些优化使得NIR-LEDs实现了24.8%的创纪录峰值EQE以及明显抑制的效率滚降。更重要的是，基于该策略制备的大面积器件依然表现出优异的NIR电致发光性能，并在生物成像和信息加密等领域展现出良好的应用前景。相关研究为高性能PQDs光电器件及其新兴应用的发展提供了新的思路。（来源：LightScienceApplications微信公众号）

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41377-026-02237-1