协同的阳离子-阴离子工程实现了高效深蓝色钙钛矿量子点的制备

蓝光量子点通过协同金属掺杂（Mn2?/Zr??/Y3?）和卤素取代（Br?/Cl?）优化了深蓝发射性能，最高量子产率达87%，并成功用于3D打印制备高荧光量子点墨水。

　　

赵帅|彭静|李灿|程贵谦|张崇|董希彦|徐俊

河南工业大学材料科学与工程学院，郑州450001，中国

摘要

蓝色钙钛矿量子点（QDs）对下一代光电设备至关重要，但与绿色/红色钙钛矿量子点相比，在实现高效深蓝色发光方面存在挑战。本研究通过一种协同掺杂策略解决了这一问题：在混合卤化物钙钛矿（ABX₃）中，同时用金属阳离子（碱金属：Mn²⁺、Zr⁴⁺、Y³⁺；镧系元素：Nd³⁺、Ho³⁺、La³⁺、Tm³⁺）替换B位点的Pb²⁺，并用Cl^-部分替代X位点的Br^-。这种方法通过调节Cl^-/Br^-的比例来优化深蓝色量子点的光学性质，从而实现精确的发射波长控制，并通过阳离子掺杂提高光致发光（PL）效率。理论计算证实，这种掺杂方法显著提升了深蓝色量子点的光致发光性能和量子产率。此外，还利用钙钛矿量子点墨水通过3D打印技术制备出了具有深蓝色光致发光特性的三维（3D）模型。这一策略为开发高性能深蓝色钙钛矿发光材料提供了可靠途径，推动了其在显示器、固态照明和光子技术中的应用。

部分内容摘录

引言

蓝色发光二极管（LED）是全彩显示器的关键组成部分，代表了发光技术的重大进步[1]、[2]。它们的应用范围涵盖照明、成像、彩色显示和各种信号系统，显示出巨大的发展潜力和广阔的市场前景[3]、[4]、[5]、[6]、[7]。蓝色钙钛矿因其独特的加工性能和优异的发光特性而受到广泛关注。

材料

碳酸铯（Cs₂CO₃，纯度99.9%）和十八-1-烯（ODE，纯度90%）购自Aladdin公司；油酸（OA，AR级）、油胺（OAm，纯度80-90%）和溴化铅（PbBr₂，纯度99.99%）购自Macklin公司；四水合氯化锰（MnCl₂·4H₂O，纯度99%）、四氯化锆（ZrCl₄，纯度98%）和氯化钇（YCl₃，纯度99%）购自Bide公司；丁醇（纯度99.5%）、乙酸甲酯、甲苯、碘化铅（PbI₂，纯度98%）、乙酸乙酯、己烷和四水合乙酸锰（纯度99%）也用于实验。

结果与讨论

当将碱金属氯化物掺入钙钛矿量子点时，其光致发光光谱如图1(a)所示。从图中可以看出，掺杂了MnCl₂·4H₂O的量子点的发射峰位于453 nm，掺杂了ZrCl₄的量子点位于436 nm，掺杂了YCl₃的量子点位于443 nm。原始的lCsPbBr₃量子点发出绿色光，而掺杂了MnCl₂·4H₂O的量子点则呈现出最强的深蓝色发光。

结论

在本研究中，我们采用改进的热注入方法，在铅卤化物钙钛矿的“B”位点采用双路径掺杂策略，成功合成了高效深蓝色钙钛矿量子点。结果表明，过渡金属氯化物（MnCl₂·4H₂、ZrCl₄、YCl₃）的掺杂显著提升了发光性能，并通过Cl^-的引入实现了精确的颜色调节。特别是，掺杂Mn的量子点在453 nm处的光致发光量子产率达到了87%的记录水平。

作者贡献

赵帅和彭静撰写了初稿。彭静、李灿和程贵谦共同完成了实验工作。董希彦、徐俊和张崇为这项工作提供了总体思路并审阅了手稿；所有作者都参与了讨论环节。

注释

作者声明不存在任何利益冲突。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了中国国家自然科学基金（22305067，U21A20277）、中国博士后科学基金（2025M771092）、河南省科技创新团队计划（IRTSTHN，25IRTSTHN001）、河南工业大学创新团队培养项目（2024TXTD14）以及河南工业大学博士基金（2022BS057）的财政支持。