【人物与科研】南京理工大学曾海波教授团队Adv. Funct. Mater.：用于发光波长精确调控的钙钛矿阴离子交换模型与策略
导语
无机钙钛矿量子点（perovskite quantum dot）材料是近年来有望成为下一代显示材料的新兴半导体发光材料之一，由于其良好的量子限域效应以及极窄的发光峰半峰宽而成为近年来的热点材料之一。然而，面对发光波长需要满足一定的显示要求这一必要条件，钙钛矿材料由于成分调节（图1）困难而使其发展受到了阻碍。如何调控钙钛矿材料激发出所需的标准显示色光也成为了近年来钙钛矿领域的重点研究课题之一。近日南京理工大学曾海波教授课题组在该领域取得了新的进展（Adv. Funct. Mater. 2021, 2106871，DOI: 10.1002/adfm.202106871）。
图1. 钙钛矿阴离子交换的微观模型
（来源：Advanced Functional Materials）
曾海波教授课题组简介
课题组聚焦光电材料且致力于发展成为理论实验结合的团队、建设完备而又特色的材料制备-器件制作-光电测试的平台。是材料学国家重点学科、功能纳米晶教育部重点实验室、纳米材料与装备江苏省协调创新中心的重要组成部分，致力于半导体纳米材料与光电器件的教学与研究。
曾海波教授简介
曾海波，国家杰出青年基金获得者，国家万人计划领军人才。2000、2003、2006年毕业于湖北师范学院、湖北大学、中科院固体物理所，获得物理学学士、应用数学硕士、材料学博士学位。随后，在中科院、德国卡尔斯鲁厄大学、日本国立材料研究所、南京航空航天大学从事研究工作。2012年获得首批国家优青项目，2013年受聘南京理工大学“紫金学者”特聘教授，创建纳米光电材料研究所及“新型显示材料与器件”工信部重点实验室，2017年获国家杰青，现任材料学院院长。
长期从事低维半导体光电材料及器件研究，以光电显示为主，光电成像、光电能源为辅，聚焦于量子点及二维两类半导体材料，在理论设计、精准合成、发光机理、发光器件及显示技术方面取得了系列成果，获引用3万余次，单篇引用超过100次50余篇，H因子为90，连续入选科睿唯安“全球高被引科学家”。获得了中国照明学会“中国LED首创奖”金奖、中国颗粒学会科技进步奖二等奖、江苏省颗粒学会创新奖特等奖、教育部霍英东青年教师奖、安徽省科学技术奖一等奖，担任国际信息显示学会发光显示技术委员会委员，中国仪表功能材料学会常务理事，Nanotechnology等6个SCI期刊编委。
前沿科研成果
用于发光波长精确调控的钙钛矿阴离子交换模型与策略
由于钙钛矿材料的成分可调节能力和大的缺陷容忍度，钙钛矿材料的发光波长可以覆盖整个可见光范围，理论上仅通过改变材料中阴离子的比例就可以实现简单的发光波长自由调节，因此钙钛矿材料是非常理想的显示材料候选者之一。通过研究钙钛矿材料成分结构与其性能的关系，曾海波教授课题组在钙钛矿量子点的室温合成领域发表了一系列开创性的工作（Adv. Mater., 2015, 27, 7162；Adv. Funct. Mater., 2016, 26, 2435），并提出了“三元协同”等重要的配体钝化概念（ACS Energy Lett., 2018, 3, 2030；Adv. Mater., 2019, 31, 1900767；Nature Comm., 2020, 11, 3395；Adv. Mater., 2017, 29, 1603885；Adv. Mater., 2018, 30, 1805409；Adv. Mater., 2018, 30, 1800764；Nature Comm., 2020, 11, 3902）以及单层相变白光LED器件（Nature Photonics 2021, 15, 238），除此之外，课题组还在钙钛矿材料稳定性的发展问题上提出了热交联等新颖的解决办法（Adv. Funct. Mater. 2021, 31, 2011003；Science Bulletin, 2021, 66, 2189-2198）。但当研究涉及到对其阴离子成分的精确调控时，实际过程却面临着表面阴离子难以被准确替代的困难。面对这一困难，结合钙钛矿量子点离子晶体的独特性质与极性溶剂对离子晶体强大的吸引力，曾海波教授课题组提出了极性吸附策略（Polar Adsorption Strategy）来降低钙钛矿量子点的阴离子表面结合能，辅助原位阴离子交换过程的发生。通过理论计算与实验相结合（图2），课题组成功验证了这一想法，并从不同的极性溶剂中挑选出了最优的极性溶剂DMF（图3），实验结果表明，通过精确控制极性溶剂的用量，可以实现对钙钛矿阴离子含量的精确控制，从而达到对阴离子交换反应的精确调控，最终实现了对发光波长的调控。
图2. 极性溶剂对钙钛矿量子点影响的计算与实验研究
（来源：Advanced Functional Materials）
图3. 进一步研究不同极性溶剂对钙钛矿量子点成分与性能的影响
（来源：Advanced Functional Materials）
在经过后续的研究表征后，课题组得出进一步结论（图4）：微量的极性溶剂并不会对钙钛矿的结构造成破坏，只会吸引钙钛矿表面离子的剥离并促进后续的阴离子交换与配体交换过程。利用这一特性，课题组成功实现了钙钛矿量子点成分从CsPbBr3向CsPbBrxI3-x的逐步交换，获得了覆盖全红光光谱的钙钛矿量子点实现了纯红光光谱的精细调节，并构筑了部分光谱的量子点发光二极管器件，展现了制备量子点优秀的光电性能。
图4. 极性溶剂对钙钛矿量子点成分结构影响的研究
（来源：Advanced Functional Materials）
图5. 阴离子交换结果精确控制的展示与制备的发光二极管性能展示。
（来源：Advanced Functional Materials）
该工作以“Perovskite Anion Exchange: A Microdynamics Model and a Polar Adsorption Strategy for Precise Control of Luminescence Color”为题发表在Adv. Funct. Mater.（DOI: 10.1002/adfm.202106871）上，第一作者为南京理工大学周怡辉，方涛博士生为共同第一作者。通讯作者为南京理工大学相恒阳博士、蔡波博士、曾海波教授。（论文作者：Yihui Zhou, Tao Fang, Gaoyu Liu, Hengyang Xiang,* Linxiang Yang, Yan Li, Run Wang, Danni Yan, Yuhui Dong, Bo Cai,* and Haibo Zeng*）