CsPbBr量子点的协同表面钝化与基质封装技术，用于实现稳定且高效的高色域显示器

《Journal of Alloys and Compounds》：Synergistic surface passivation and matrix encapsulation of CsPbBr 3 quantum dots for stable and high-efficiency wide gamut displays

CsPbBr3量子点通过磺酸基表面活性剂SB3-18化学钝化与高温固相合成中MS模板孔塌陷刚性封装的协同作用显著提升稳定性，光稳定性达92.9%，水稳定性95.1%，色域覆盖NTSC 125.3%和Rec.2020 93.6%。

　　这项研究聚焦于一种新型的无机钙铅溴钙钛矿量子点（CsPbBr? QDs）的稳定性提升方法，旨在解决其在实际应用中因环境因素导致的性能衰减问题。CsPbBr? QDs因其优异的光电性能，特别是高光致发光量子产率（PLQY）和窄带发射特性，被广泛认为是显示技术中极具潜力的半导体纳米材料。然而，这些材料在潮湿、高温和光照等环境条件下表现出显著的不稳定性，限制了其在商业领域的应用。为了解决这一问题，研究团队提出了一种双重协同策略，结合化学钝化与刚性封装技术，以增强CsPbBr? QDs的环境稳定性。

在该策略中，一种基于磺酸基团的表面活性剂（SB3-18）被用于钝化CsPbBr? QDs表面未被处理的铅（Pb2?）位点，从而有效减少表面陷阱态的密度。这种钝化作用有助于提升量子点的发光效率和稳定性。与此同时，研究团队利用高温烧结的介孔二氧化硅（MS）模板，通过孔隙坍塌形成致密的保护层，从而有效阻挡水分和氧气的侵入，提高材料的环境耐受性。通过结构和光谱分析，研究团队验证了该方法的有效性，发现经过优化的CsPbBr?-SB3-18/MS复合材料在水、光和热稳定性方面均优于未添加SB3-18的材料。此外，这些材料在背光白光LED中的色域覆盖率达到125.3%的NTSC标准和93.6%的Rec.2020标准，表明其在高色域显示领域具有良好的应用前景。

研究背景指出，无机钙铅卤化钙钛矿量子点因其可调的窄带发射、高缺陷容忍度以及出色的光致发光量子产率，成为LED、钙钛矿太阳能电池和光电探测器等领域的理想材料。然而，在LED背光显示技术中，对高色域再现能力的需求日益增长，使得开发高效且窄带发射的绿色发光材料成为关键挑战。目前，商业化的稀土掺杂氮化物绿色磷光体，如β-SiAlON:Eu2?，虽然具有高PLQY和良好的发光稳定性，但其宽发射带（FWHM > 50 nm）限制了色域的扩展。因此，CsPbBr? QDs作为一种可能的替代材料，被广泛研究用于实现更宽的色域。

尽管如此，CsPbBr? QDs在实际应用中仍面临环境稳定性不足的问题。这些材料的表面由于其软晶格结构和较低的缺陷形成能，容易受到水分、高温和氧气等环境因素的影响，导致材料快速降解和性能衰减。为了解决这一问题，研究人员尝试了多种策略，包括与其他无机阳离子共掺杂或杂化、使用封端配体进行表面钝化、通过有机/无机薄膜涂层保护量子点，以及利用其他无机或有机基质进行封装。其中，利用分子硅（MS）模板进行高温合成被认为是提升CsPbBr? QDs稳定性的有效方法。然而，这一方法也存在一些局限性，如高温下MS模板的孔隙坍塌可能导致纳米晶体聚集，而表面铅缺陷则会加剧非辐射复合，降低PLQY和发光稳定性。

受到这些研究的启发，本文提出了一种新的策略，将基于磺酸基团的表面活性剂SB3-18与MS模板的高温致密化特性相结合，构建一种兼具缺陷钝化和刚性封装的双重效应系统。研究发现，SB3-18中的SO??基团能够与Pb2?形成强配位键，从而有效减少表面陷阱态的密度。与此同时，在650°C的烧结过程中，MS模板的孔隙坍塌和界面融合形成了一个密封结构，能够有效阻止水分和氧气的侵入。通过系统研究合成参数、结构演化与性能之间的关系，研究团队揭示了双重协同机制在调控载流子动力学和提升稳定性方面的作用，并成功将其应用于高色域显示领域。

在材料制备方面，研究团队使用了高纯度的铯溴（CsBr，99.5%）和铅溴（PbBr?，99.5%），以及一种基于磺酸基团的表面活性剂SB3-18和介孔二氧化硅。这些材料按照特定的摩尔和质量比例进行称量，并在研钵中充分研磨至均匀状态，随后在高温下进行烧结。这一过程使得前驱体在高温下发生液化或气化，并扩散进入介孔通道中，从而在650°C下开始CsPbBr?的初始成核。同时，二氧化硅框架在高温下软化并发生坍塌，为纳米晶体的生长创造了动态环境。这些纳米晶体在高温下通过Ostwald熟化机制在粘稠、重组的二氧化硅基质中进行生长，最终形成稳定的复合材料。

结构分析表明，SB3-18在高温烧结过程中经历了一系列化学变化，最终与CsPbBr? QDs表面的Pb2?发生作用，形成稳定的配位结构。这种结构不仅有效钝化了量子点表面的缺陷，还增强了其在外部环境中的稳定性。此外，介孔二氧化硅模板在高温烧结过程中形成的致密结构，进一步提升了材料的机械强度和环境耐受性。通过这些手段，研究团队成功构建了一种具有优异稳定性和发光性能的CsPbBr?-SB3-18/MS复合材料。

在性能评估方面，研究团队对CsPbBr?-SB3-18/MS复合材料进行了系统的稳定性测试。结果显示，该材料在水阻性和光辐射老化测试中分别保持了初始发光强度的95.1%和92.9%。这些数据表明，经过双重协同处理的CsPbBr? QDs在实际应用中表现出良好的环境稳定性。此外，该材料在背光白光LED中的色域覆盖率达到125.3%的NTSC标准和93.6%的Rec.2020标准，表明其在高色域显示领域具有良好的应用潜力。

研究团队在结论部分指出，CsPbBr?-SB3-18/MS复合材料表现出优异的光致发光性能和整体稳定性。在这些复合材料中，CsPbBr? QDs通过SB3-18实现了表面钝化，并随后被介孔二氧化硅基质封装。这种双重处理机制不仅提升了材料的发光效率，还显著增强了其在外部环境中的稳定性。此外，研究团队还探讨了该策略在Micro-LED等领域的应用前景，认为其在提升材料性能和稳定性方面具有重要的意义。

本研究的贡献在于提出了一种新的策略，将缺陷工程与刚性封装技术相结合，通过高温固相合成方法实现对钙钛矿纳米材料的性能提升。这种策略不仅解决了钙钛矿材料在实际应用中的稳定性问题，还为其在高色域显示领域的应用提供了可行的解决方案。研究团队通过系统的研究，揭示了该策略在调控载流子动力学和提升稳定性方面的作用，并成功将其应用于实际的显示技术中。这些成果表明，通过合理的材料设计和合成方法，钙钛矿纳米材料在显示技术中的应用前景广阔。

此外，研究团队在作者贡献声明中指出，张学杰负责撰写和编辑论文，设计实验方案，并进行数据分析；雷炳福负责撰写和编辑论文，提供资源，并获取资金支持；张浩然负责监督研究工作，开发软件，并管理项目；李伟负责数据可视化和验证；姚伟成负责实验设计和研究；郑康武负责撰写和编辑论文，设计实验方案，并进行数据分析；李兴玲负责提出研究思路。这些分工表明，该研究是一个多学科合作的成果，涵盖了材料科学、化学工程和光电技术等多个领域。

最后，研究团队声明没有已知的与本研究相关的竞争性利益，确保了研究的客观性和科学性。同时，研究团队感谢了国家自然科学基金和广东省科技项目的支持，这为研究的顺利进行提供了必要的资金保障。这些支持表明，该研究不仅具有重要的科学价值，还具有广泛的应用前景。