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钙钛矿三基色LED的器件效率已基本满足显示要求，与TFT背板结合集成有望实现广色域、高对比度、低成本、大面积的有源矩阵显示面板，能够进一步提升显示效果。然而钙钛矿LED普遍长达几十毫秒至秒的响应时间严重阻碍了其在有源矩阵主动发光显示上的应用，领域内对此问题关注较少，亟需深入研究与突破。浙江大学叶志镇院士团队提出了基于BF4-离子的钙钛矿纳米晶薄膜原位处理策略，能够在不破坏纳米晶的基础上有效实现单颗粒级钝化处理。
北京时间2024年6月18日17时，该研究成果以“Microsecond-response perovskite light-emitting diodes for active-matrix displays”为题在线发表于《自然—电子学》。
有源矩阵驱动方式的主动发光显示面板通过独立的TFT元件来分别控制每个像素点。除了面板亮度、单像素点效率等常规性能指标，有源矩阵显示阵列基于屏幕刷新率还对LED器件响应时间提出了要求。以120 Hz屏幕刷新率和50%的占空比为例，像素点点亮时间仅有约4毫秒，这意味着TFT驱动控制的LED器件电致发光强度的响应时间要在毫秒内，才能实现设定亮度和显示效果。而钙钛矿LED由于离子迁移，其在脉冲供电下通常需要几十毫秒才能达到稳定的电致发光强度，由此导致钙钛矿LED响应时间长。
应对上述挑战，研究者通过理论分析认为表面完全钝化的钙钛矿纳米晶薄膜因减少了空位这一离子迁移的主要通道而具有较高的离子迁移激活能，有望解决电场下离子迁移导致的响应时间长的问题。然而纳米晶在薄膜沉积过程中不可避免会产生配体掉落问题，即使对纳米晶溶液进行后处理也很难解决这一问题。因此研究者提出了类卤素阴离子原位处理策略，利用湿润的溶剂微环境，通过BF4-离子与溴离子相似的离子半径与纳米晶表面暴露的铅进行快速强力配位，在不破坏纳米晶的基础上实现了对CsPbBr3纳米晶薄膜的单颗粒级钝化处理。
图1. 单颗粒级处理的CsPbBr3纳米晶薄膜。
缩短LED器件响应时间对高刷新率显示面板具有重要意义，几十毫秒的响应时间不仅会给显示时的亮度控制造成困难，还在很大程度上损失了显示亮度（图2g、2h）。以原位处理的纳米晶薄膜作为发光层，研究者成功地将钙钛矿纳米晶LED的响应时间从毫秒缩短至微秒，降低了三个数量级。在此基础上，研究者成功制备了微秒响应的钙钛矿绿光有源矩阵显示阵列，并将该策略进一步拓展到钙钛矿混合卤素纳米晶，发展了以CsPbBrxCl3-x蓝光和CsPbIxBr3-x红光纳米晶薄膜为发光层的微秒级响应显示阵列。最终实现了分别率为90像素/英寸的钙钛矿三基色有源矩阵显示阵列，像素发光区域均匀完整，通过程序驱动能够清晰展示字符、图案和简易动态图形。
图2. 单颗粒原位处理的效果。
图3. 一英寸钙钛矿纳米晶有源矩阵显示阵列效果。
浙江大学戴兴良研究员、何海平教授、叶志镇院士和瑞典林雪平大学高峰教授为论文共同通讯作者。浙江大学博士研究生高贇为第一作者，浙江大学博士研究生李红金为共同第一作者。杭州领挚科技有限公司冯林润博士、杨一行博士、浙江大学韩仲康研究员、吉林大学张晓宇教授、郭洁博士等对该工作提供了大力支持和重要帮助。
Gao, Y., Li, H., Dai, X. et al. Microsecond-response perovskite light-emitting diodes for active-matrix displays. Nat Electron (2024).
https://doi.org/10.1038/s41928-024-01181-5
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