原位形成定向钙钛矿纳米片并定制光学偶极子，实现纯红LED超过30%的外量子效率

为日常设备打造更亮的红色屏幕

从智能手机到虚拟现实头显，我们的生活中充满了构成生动图像的微小光源。目标是让这些光——尤其是纯净、深红色——更亮、更节能并更耐用。本文展示了如何通过精心排列一种称为钙钛矿的新型材料内部的晶层，显著提升红色发光二极管（LED）的性能，将它们推向下一代显示器效率的实际极限附近。

从混乱的晶粒到整齐的层状结构

钙钛矿半导体迅速成为LED的明星材料，因为它们可以像油墨一样通过溶液制备，同时仍能发出非常纯净的颜色。然而，当这些材料被涂覆成薄膜时，它们的发光单元——称为光学偶极子——往往朝向随机。对于平面器件而言，这种无序会导致大量光被困在内部而无法向外发射。因此，尽管红色钙钛矿LED最近已达到超过25%的外量子效率（EQE），若不解决这个无序问题，它们仍落后于顶级有机LED，并在理论上受限于约30%的效率上限。

用智能分子引导晶体生长

作者通过重新设计钙钛矿在薄膜中生长的方式来解决这一问题。他们聚焦于“准二维”钙钛矿，这类材料天然形成层状结构，类似纳米片的堆叠。关键是使用特殊的有机分子，称为配体，置于无机层之间以引导晶体的组装。通过将一种常用的萘基配体（1-NMA）替换为其密切相关的异构体（2-NMA），他们利用了分子形状与堆叠方式的微妙差异。计算结果表明，2-NMA降低了形成平面纳米片的能垒，而实验也证实它与钙钛矿框架的结合更强且更有序，从而在薄膜内直接促进逐层有序生长。

在薄膜内构建完美纳米片

使用2-NMA，研究团队观察到明显的结构转变。与含有残余碘化铅的不规则晶粒相比，钙钛矿薄膜现在呈现清洁的朝面纳米片有序堆叠。先进成像方法显示均匀的晶格间距和强烈的面内取向，而X射线散射图谱从模糊的环状（表明结构随机）转变为尖锐的斑点（表明层状排列良好）。这种结构不仅外观整齐：它还将发光偶极子的取向重新调整，使86%的偶极子趋于水平——远高于常规薄膜的68%。单凭这种取向改善，就预计能使平面器件的出射光量提高约20%。

更多光、更少损失、更快电荷输运

纳米片结构同时净化了薄膜的电子环境。测量表明，与传统薄膜相比，缺陷密度——那些吞噬光子和电荷的微小缺陷——降低了超过两倍。光致发光量子产率（衡量吸收光子中有多少被重新发射为光）升至90%以上，平均发光寿命延长，与非辐射损失减少相一致。与此同时，尽管存在有机层，薄膜的载流子迁移率仍与完全三维钙钛矿相当，意味着电荷仍能在材料中快速移动。这些因素共同作用，造就出既能高效传输电荷又能以极低损失将其转化为光的薄膜。

创纪录的红色LED及未来展望

在器件中，这些定向纳米片薄膜实现了635 nm的纯红LED，记录性外量子效率为31.2%，与同时考虑取向和材料亮度的详细光学模拟一致。器件还表现出更高的亮度——超过13,000坎德拉每平方米——开启电压更低且寿命远长于传统器件，工作寿命延长超过十倍。通过展示精心的分子设计可以在薄膜形成过程中直接塑造晶体取向和偶极子对齐，这项工作提供了一种广泛适用的蓝图，适用于高效率溶液加工光源、激光器和集成光子组件——不仅是更好的红色像素，更是一种自下而上工程化光发射的新路径。

引用: Liu, S., Zhang, D., Wang, L. et al. In-situ formation of oriented perovskite nanosheets with tailored optical dipoles enabling >30% EQE in pure-red LEDs. Light Sci Appl 15, 163 (2026). https://doi.org/10.1038/s41377-026-02184-x

关键词: 钙钛矿LED, 红色光发射, 纳米片晶体, 配体工程, 显示技术