层序热蒸发法制备高性能全真空沉积红色钙钛矿发光二极管：5-氨基戊酸调控结晶动力学与缺陷钝化新策略

研究人员针对热蒸发法制备红色钙钛矿发光二极管(PeLEDs)存在结晶调控困难、效率低下(<2%)等问题，开发了层序沉积(LBL)热蒸发结合5-氨基戊酸(5-AVA)界面调控的新策略。通过抑制原位界面反应、延缓退火结晶过程及配位钝化缺陷，实现了发射波长可调(670-730nm)、最大外量子效率达9%的红色PeLEDs，并成功制备2500mm2大面积均匀器件，为钙钛矿显示技术商业化提供了可扩展的真空沉积方案。

　　

在显示技术快速发展的今天，金属卤化物钙钛矿材料因其可调带隙、高缺陷容忍度和优异发光性能，成为新一代发光二极管(LED)的理想候选者。然而，当前高性能钙钛矿发光二极管(PeLEDs)主要依赖溶液法制备，面临大面积均匀性和重复性挑战。相比之下，热蒸发技术具有与有机发光二极管(OLED)产业兼容的先天优势，但多源共蒸发法存在结晶控制困难、铵盐蒸发速率不稳定等问题，特别是红色PeLEDs的外量子效率(EQE)长期徘徊在2%以下，严重制约了其商业化进程。

针对这一技术瓶颈，南京工业大学（Nanjing Tech University）的研究团队在《Nature Communications》发表创新成果，提出层序热蒸发(LBL)结合5-氨基戊酸(5-AVA)添加剂的协同调控策略。通过精确控制甲脒碘化物(FAI)、溴化铯(CsBr)、5-AVA和碘化铅(PbI₂)的逐层沉积，配合退火工艺优化，成功制备出EQE达9%、亮度超过1500 cd m^-2的红色PeLEDs(670nm)，以及EQE7.27%、辐射度204.71 W s^-1 m^-2的深红色器件(730nm)，并实现50×50mm²大面积均匀发光薄膜和图案化器件。

研究采用层序热蒸发沉积系统，结合实时石英晶体微天平监控；通过掠入射广角X射线散射(GIWAXS)和原位紫外-可见吸收光谱分析结晶动力学；利用傅里叶变换红外光谱(FTIR)和X射线光电子能谱(XPS)揭示5-AVA与PbI₂的配位作用；采用空间电荷限制电流(SCLC)和陷阱态密度(tDOS)测量量化缺陷密度；通过瞬态吸收(TA)和荧光寿命成像(FLIM)表征载流子复合动力学。

结晶过程调控

研究发现5-AVA可有效抑制CsBr与PbI₂层间的原位界面反应，将结晶时间从17秒延长至50秒以上。GIWAXS显示添加5-AVA的薄膜呈现更尖锐的(100)衍射斑点，XRD证实结晶度显著提高。扫描电镜(SEM)显示目标薄膜晶粒分布均匀，能量色散X射线谱(EDS)证实元素分布均匀。

缺陷钝化机制

FTIR证实5-AVA的C=O基团(1638cm^-1)与Pb²⁺配位后红移至1635cm^-1；XPS显示Pb-4f和I-3d结合能分别降低0.2eV和0.3eV；¹³C核磁共振(NMR)进一步验证配位作用。SCLC测量表明陷阱密度从4.97×10¹⁸cm^-3降至3.3×10¹⁸cm^-3，tDOS谱显示全能量范围内缺陷态减少。

光电性能优化
共聚焦荧光图谱显示5-AVA处理薄膜的荧光强度分布均匀性显著提升；瞬态吸收(TA)分析表明双分子复合速率常数从7.02×10¹¹s^-1提高至9.67×10¹¹s^-1，俄歇复合常数降低。稳态荧光测试证实薄膜垂直方向光学性质均匀。

器件性能突破

基于ITO/2PACz/钙钛矿/TPBi/LiF/Al结构，目标器件开启电压从3.0V降至2.75V，最大亮度达1524cd m^-2，CIE坐标(0.714,0.281)接近Rec.2020标准。电致发光(EL)光谱在2.5-4.5V电压范围内保持稳定，连续工作寿命从81分钟延长至255分钟。

大面积制备应用

50×50mm²薄膜在16个检测位点的荧光强度偏差<5%，成功制备出15×10mm²活性面积的器件及"IAM"、校园地标等图案化发光阵列，证实技术可扩展性。

该研究通过创新的层序热蒸发策略和5-AVA多功能添加剂，解决了真空沉积红色PeLEDs的结晶控制和缺陷钝化难题。分子动力学研究表明，5-AVA通过C=O→Pb²⁺配位和N-H…FAI氢键双重作用，既延缓结晶过程又钝化铅相关缺陷。器件性能达到热蒸发红色PeLEDs的最高水平，其9%的EQE较先前报道提升4倍以上。更重要的是，该技术完全兼容现有OLED生产线，通过图案化掩模可实现任意形状发光器件，为钙钛矿显示技术的产业化铺平道路。未来通过进一步优化载流子注入平衡和界面工程，有望实现与溶液法相媲美的器件性能，推动真空沉积钙钛矿在全彩显示和固态照明领域的实际应用。