記者22日從南開大學化學學院獲悉，該院袁明鑒研究員、陳軍院士帶領(lǐng)的科研團隊與加拿大多倫多大學愛德華·薩金特教授課題組合作，圍繞高性能半導(dǎo)體量子點固體合成中面臨的關(guān)鍵科學問題，發(fā)展了高性能導(dǎo)電鈣鈦礦量子點固體薄膜制備全新策略，實現(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。相關(guān)研究成果近日發(fā)表在《自然》上。

12月22日，由南開大學袁明鑒研究員、陳軍院士帶領(lǐng)的科研團隊與多倫多大學Edward H. Sargent教授團隊合作在Nature期刊發(fā)表的論文。

量子點是一種尺寸微小、直徑在2—10納米的半導(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動相當于被限制在量子力學勢阱中，原本在宏觀體系下準連續(xù)的能級分布變得分立，量子點因此展現(xiàn)出一系列量子化效應(yīng)，稱為量子尺寸效應(yīng)。因其這種獨特的性質(zhì)，量子點材料得到了深入研究和廣泛應(yīng)用。自20世紀70年代中期以來，利用量子點代替?zhèn)鹘y(tǒng)的半導(dǎo)體材料實現(xiàn)高性能光電器件成為非常重要的研究方向。

全基底原位合成鈣鈦礦量子點固體薄膜策略。

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

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，研究團隊發(fā)現(xiàn)，通過改變有機配體結(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。

鈣鈦礦量子點固體薄膜成膜機制探究。

基于上述發(fā)現(xiàn)，研究團隊隨后對配體進行理性設(shè)計，創(chuàng)造性地實現(xiàn)了在基底表面上的高質(zhì)量導(dǎo)電鈣鈦礦量子點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)量子點制備策略中所面臨的配體易脫落、配體過多致使光學性能和導(dǎo)電性差等問題，所合成的鈣鈦礦量子點固體薄膜具有極佳的光學與電學性質(zhì)。同時，研究團隊將該高性能鈣鈦礦量子點固體薄膜材料引入電致發(fā)光二極管器件中，成功實現(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。

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

鈣鈦礦發(fā)光二極管相關(guān)器件性能。

《自然》期刊審稿人對該研究給予高度評價：“這項工作為鈣鈦礦量子點合成及應(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現(xiàn)了這一點，而這是電致器件制造所必須的組成部分。由于此前無法獲得足夠小的高質(zhì)量導(dǎo)電量子點固體，相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展多年來一直受到制約。這項研究以一種普適的方式妥善地解決了這個問題，是這一領(lǐng)域的重大突破?！?/p>

（原標題《高性能導(dǎo)電鈣鈦礦量子點固體薄膜制成》）