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浙江大学材料学院叶志镇院士团队浙江大学材料学院叶志镇院士团队在蓝光发光二极管效率提升方面取得重要进展，团队以不同时间尺度下的光谱观察了氯含量与氯缺陷及材料光学性能之间的变化与联系，得出氯含量与纳米晶薄膜中缺陷及荧光量子产率呈负相关的定性关系，并提出一条提升蓝光LED器件性能的关键思路，即降低氯含量来抑制氯缺陷。通过A位铷补偿策略，在保证CsPb(BrxCl1-x )3纳米晶发光波长没有偏移的情况下有效降低了氯含量，明显抑制了缺陷，提升纳米晶光学性能。
本文《Highly efficient blue light-emitting diodes based on mixed-halide perovskites with reduced chlorine defects》发表在 Science Advances，浙江大学为该论文第一单位，高贇博士与蔡秋婷博士为共同第一作者，叶志镇院士、戴兴良研究员、狄大卫教授为共同通讯作者。
研究背景
金属卤化物钙钛矿发光二极管（PeLEDs）因其优异的色纯度、可调谐发射波长（从蓝光到近红外）以及溶液加工兼容性，被视为下一代高色域显示和低成本照明的重要候选技术。目前，近红外、红光和绿光 PeLEDs 的外量子效率（EQE）已高达 20%~30%，接近光学耦合效率的理论极限。然而，蓝色 PeLEDs 的性能远远落后，尤其是显示应用所需的纯蓝光（波长 ≤ 470 nm）器件，其*高 EQE 仅约 10% 左右。
为了实现蓝光发射，通常采用溴（Br）和氯（Cl）混合的钙钛矿组分（如 CsPb(BrₓCl₁₋ₓ)₃）进行带隙工程。随着发射峰向深蓝移动，Cl 含量显著增加，例如 470 nm 和 460 nm 的钙钛矿中 Cl/Br 摩尔比分别达到 ~0.5 和 ~0.8。然而，高 Cl 含量会引入深能级缺陷，导致非辐射复合增加，同时引发相分离和结构不稳定，严重制约了蓝色 PeLEDs 的效率与稳定性。
正文
本研究中系统揭示了 Cl 含量对蓝色 PeLEDs 性能的关键影响。团队首先构建了一系列 CsPb(BrₓCl₁₋ₓ)₃ 纳米晶，发现发射峰在 460~480 nm 范围内的蓝光 PeLEDs 的 EQE 与其光致发光量子产率（PL QY）呈线性正相关。而 PL QY 对 Cl 含量极其敏感，即使是 Cl 缺陷的微小增加也会导致 EQE 显著下降。
为解决这一问题，研究团队提出了一种 A 位铷（Rb）补偿策略：在钙钛矿晶格中引入小离子半径的 Rb⁺ 部分替代 Cs⁺。由于 Rb⁺ 的尺寸效应，晶格收缩导致带隙蓝移，从而在 不增加甚至降低 Cl 含量 的情况下实现相同的蓝光发射波长。实验表明，优化后的 Rb 掺杂（Rb/Cs 投料比 10%）有效抑制了 Cl 相关非辐射缺陷的形成，显著提升了纳米晶的 PL QY。
(图一 器件基础性能)
关键实验结果
结构表征：高分辨透射电镜（HRTEM）显示，Rb 补偿后的纳米晶（Rb-NCs）保持均匀的立方相结构，晶面间距（200）从控制组（control-NCs）的 2.70 Å（460 nm）缩小到 2.64 Å，证实 Rb 成功进入晶格。ICP-MS 和离子色谱分析表明，Rb-NCs 中实际 Cl/Br 摩尔比显著降低，例如 460 nm 发射时从 0.73 降至 0.62。
(图二 纳米晶结构及光学性能表征)
光学性能提升：为深入了解载流子动力学，研究团队利用 Zolix ST-10 皮秒条纹相机 进行了时间分辨光致发光（TRPL）测试。该设备凭借其皮秒级时间分辨能力，能够精确捕捉纳米晶中极短寿命的载流子捕获过程。实验结果显示，与对照样品相比，Rb-NCs 中快速衰减成分的比例显著降低，表明载流子捕获过程被有效抑制。在纳秒尺度下，Rb-NCs 的慢衰减寿命 τ₂ 从 45.8 ns 提升至 48.4 ns，且所占比例从 46% 增加到 50%。这一由 Zolix ST-10 皮秒条纹相机配合光谱仪获取的 TRPL 动力学数据，直接证实了 Rb 补偿策略对减少 Cl 相关非辐射缺陷的显著效果。此外，飞秒瞬态吸收（TA）实验也显示 Rb-NCs 具有更慢的光生载流子弛豫过程。这些结果共同支撑了 Rb-NCs 光致发光量子产率（PL QY）的全面提升：460 nm 从 30% 提升至 48%，465 nm 从 45% 提升至 64%，470 nm 从 62% 提升至 76%，475 nm 从 78% 提升至 85%，480 nm 从 85% 提升至 92%。
(图三 纳米晶性能及载流子动力学表征)
器件性能创纪录：基于 Rb-NCs 制备的蓝色 PeLEDs 覆盖了 460~480 nm 的蓝光光谱，实现了创纪录的外量子效率：
480 nm：26.4%；475 nm：24.3%；470 nm：21.3%；465 nm：16.7%；460 nm：12.0%
其中 480 nm 器件的 EQE 已接近光学耦合效率极限，且器件具有良好的重复性（各波长 EQE 标准差仅 2.5%~3.6%）。此外，器件在 3.0~10.0 V 驱动电压范围内保持光谱稳定，半峰全宽约 17 nm，CIE 色坐标符合显示标准。
(图四 器件性能表征)
结论与意义
本研究揭示了 减少 Cl 缺陷 是实现高效蓝色 PeLEDs 的核心设计原则。通过 A 位 Rb 补偿，在不牺牲发射波长的前提下有效降低 Cl 含量，抑制深能级缺陷，显著提升辐射复合效率。所得蓝色 PeLEDs 的效率全面超越以往报道，并可与先进有机 LED 和量子点 LED 相媲美。
值得一提的是，Zolix ST-10 皮秒条纹相机 在揭示载流子捕获动力学、验证缺陷抑制效果方面发挥了不可替代的关键作用，为优化材料设计提供了直接且可靠的实验依据。
这一工作为蓝光钙钛矿发光器件提供了新的材料设计思路，未来通过进一步优化前驱体合成、配体工程和晶体取向，有望实现更高效率的蓝光 PeLEDs，推动其在高色域显示和固态照明中的实际应用
条纹相机测试TRPL相较于传统方式的优点
皮秒级高时间分辨率
条纹相机具备亚皮秒级的时间分辨能力，能够捕捉发光材料中极短寿命的载流子动力学过程（如激子捕获、能量转移等）；
宽动态范围与高灵敏度
条纹相机具有极高的动态范围，可同时记录强信号与弱信号的衰减过程，尤其适合探测材料中微量缺陷态引发的微弱快速捕获成分。
同时获取时间与光谱信息
条纹相机可同时记录时间分辨的发光光谱（时间-波长-强度三维数据），不仅获得衰减寿命，还能追踪不同波长下的载流子行为变化，而传统方法通常只能获取单一波长的衰减曲线。
更适合超快载流子动力学研究
在钙钛矿纳米晶等材料中，载流子捕获往往发生在皮秒尺度。条纹相机的瞬时捕获能力使其成为研究缺陷态、非辐射复合、界面电荷转移等关键物理过程的理想工具
本研究正是借助 Zolix ST-10 皮秒条纹相机 的上述优势，成功捕捉到 Rb 补偿后纳米晶中载流子捕获过程的显著减弱（快速衰减成分比例降低），从而直接验证了 Cl 缺陷减少对提升发光效率的关键作用。这一结果在传统方法下难以清晰分辨，凸显了条纹相机在高效发光材料研究中的不可替代性。
推荐仪器系统
超快皮秒时间分辨光谱系统
13810146393
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