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記者12月22日獲悉，南開大學(xué)化學(xué)學(xué)院袁明鑒研究員、陳軍院士帶領(lǐng)的科研團(tuán)隊(duì)與加拿大多倫多大學(xué)愛德華·薩金特教授課題組合作，圍繞高性能半導(dǎo)體量子點(diǎn)固體合成中面臨的關(guān)鍵科學(xué)問題，發(fā)展了高性能導(dǎo)電鈣鈦礦量子點(diǎn)固體薄膜制備全新策略，實(shí)現(xiàn)了多材料、跨尺寸的鈣鈦礦三原色電致發(fā)光器件的可控構(gòu)筑。研究成果發(fā)表在最新一期《自然》雜志上。

量子點(diǎn)是一種尺寸微小、直徑在2-10納米(10-50個(gè)原子)之間的半導(dǎo)體納米晶體材料。由于其顆粒半徑小于或者接近波爾半徑，體系中的電子或空穴的運(yùn)動(dòng)相當(dāng)于被限制在量子力學(xué)勢(shì)阱中，原本在宏觀體系下準(zhǔn)連續(xù)的能級(jí)分布變得分立，量子點(diǎn)因此展現(xiàn)出一系列量子化效應(yīng)，稱為量子尺寸效應(yīng)。因其這種獨(dú)特的性質(zhì)，量子點(diǎn)材料得到了深入研究和廣泛應(yīng)用。自20世紀(jì)70年代中期以來，利用量子點(diǎn)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的半導(dǎo)體材料實(shí)現(xiàn)高性能光電器件成為非常重要的研究方向。

在傳統(tǒng)膠體量子點(diǎn)合成中，為了維持其在溶劑中的穩(wěn)定性，量子點(diǎn)表面會(huì)被引入大量有機(jī)配體。然而，有機(jī)配體的存在極大地阻礙了電荷在量子點(diǎn)之間的輸運(yùn)效率，嚴(yán)重限制了量子點(diǎn)材料在眾多半導(dǎo)體光電器件中的應(yīng)用潛力。因此，深挖量子點(diǎn)形成機(jī)制與材料內(nèi)部載流子動(dòng)力學(xué)輸運(yùn)行為，開發(fā)“新材料、新工藝、新器件”是實(shí)現(xiàn)高性能量子點(diǎn)光電器件、推動(dòng)半導(dǎo)體量子點(diǎn)技術(shù)革新的必然需求。

南開大學(xué)化學(xué)學(xué)院袁明鑒研究員、陳軍院士帶領(lǐng)的科研團(tuán)隊(duì)，長(zhǎng)期聚焦高性能半導(dǎo)體光電轉(zhuǎn)換材料及器件研究。在持續(xù)探索適配于器件制造工藝的鈣鈦礦半導(dǎo)體材料合成新方案的過程中，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，通過改變有機(jī)配體結(jié)構(gòu)，可以有效誘導(dǎo)鈣鈦礦材料維度信息、電子能帶結(jié)構(gòu)、激子效應(yīng)等理化特性轉(zhuǎn)變。

基于上述發(fā)現(xiàn)，研究團(tuán)隊(duì)隨后對(duì)配體進(jìn)行理性設(shè)計(jì)，創(chuàng)造性地實(shí)現(xiàn)了在基底表面上的高質(zhì)量導(dǎo)電鈣鈦礦量子點(diǎn)固體薄膜原位合成全新策略。由于該策略可以有效避免傳統(tǒng)量子點(diǎn)制備策略中所面臨的配體易脫落、配體過多致使光學(xué)性能差、導(dǎo)電性差等問題，所合成的鈣鈦礦量子點(diǎn)固體薄膜具有極佳的光學(xué)與電學(xué)性質(zhì)。同時(shí)，研究團(tuán)隊(duì)將該高性能鈣鈦礦量子點(diǎn)固體薄膜材料引入電致發(fā)光二極管器件中，并成功實(shí)現(xiàn)了具有高能量轉(zhuǎn)換效率的三原色電致發(fā)光二極管的可控構(gòu)筑。

該研究是從化學(xué)學(xué)科出發(fā)，利用光學(xué)、凝聚態(tài)物理、半導(dǎo)體器件等交叉學(xué)科手段，成功實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體材料理化性質(zhì)可控調(diào)節(jié)的典型案例。該成果打破了傳統(tǒng)量子點(diǎn)合成策略的瓶頸，發(fā)展了全新的原位合成量子點(diǎn)固體薄膜新原理與新方法。

高性能鈣鈦礦量子點(diǎn)固態(tài)薄膜及其電致發(fā)光器件。

《自然》期刊審稿人對(duì)該研究給予高度評(píng)價(jià)：“這項(xiàng)工作為鈣鈦礦量子點(diǎn)合成及應(yīng)用提供了一種具有高度普適性及精確可控性的全新范例。更為重要的是，該策略以固體薄膜的形式實(shí)現(xiàn)了這一點(diǎn)，而這是電致器件制造所必需的組成部分。由于此前無法獲得足夠小的高質(zhì)量導(dǎo)電量子點(diǎn)固體，該領(lǐng)域發(fā)展多年來一直受到制約。這項(xiàng)研究以一種普適的方式妥善地解決了這個(gè)問題，是這一領(lǐng)域的重大突破。”

(南開大學(xué)供圖)

關(guān)鍵詞： 電致發(fā)光 可以有效 南開大學(xué)化學(xué)學(xué)院 半導(dǎo)體材料