基于有机-无机混合锑卤化物的高效溶液加工发光二极管

制造明亮高效红光 LED 的新方法

发光二极管（LED）无处不在，从手机屏幕到汽车大灯，但同时兼顾高效率与低成本制造仍是一项挑战。本研究报道了一类基于锑化合物的新型红光发射材料，可像印刷油墨一样从简单溶液中加工。通过对这些混合材料中有机成分的精心重新设计，研究者大幅提升了发光效率和器件寿命，指向更安全的无铅 LED，有望用于未来大面积、低成本的显示和照明面板。

混合锑基 LED 的重要性

目前大多数高性能 LED 依赖有机分子、量子点或含铅钙钛矿。每种选择都有缺点，包括昂贵的加工、稳定性问题或有毒铅的存在。有机–无机混合锑卤化物提供了一种有吸引力的替代方案：它们将无机半导体的强发光特性与有机分子的柔性结合在一起。尤其是它们的零维结构表现得像微小的独立光源，可实现非常明亮、稳定的发射。然而，到目前为止，使用这些材料的器件在将电能转化为光方面一直效率不高，主要原因是器件内电荷无法有效传输和复合。

重塑发光构件

研究团队通过重新设计包围发光锑–溴单元的有机“支架”来解决这一瓶颈。他们设计了一种新的带正电荷分子，称为 TPPEtCz+，其含有一个咔唑基团——一种扁平的环状结构，能与相邻材料中的类似环层叠整齐。与锑和溴结合时，该分子形成一种混合化合物，命名为 (TPPEtCz)2Sb2Br8。与不含咔唑单元的早期对照材料相比，这种新化合物熔点更高，晶体结构更纯净，并且从溶液旋涂到基板上时能形成更平滑、更均匀的薄膜。

更平滑的薄膜和更明亮的光

在显微层面上，新的有机组分减缓了溶剂蒸发时晶体的形成速度。TPPEtCz+、锑–溴簇和溶剂之间的强氢键像一种温和的刹车，抑制了快速结晶导致的粗糙、有缺陷薄膜的形成。测量显示，新膜中作为“陷阱”使被激发态在未发光情况下消散的位点大大减少。因此，在光学激发下的发光效率（光致发光量子产率）升至约88%，而对照组仅为约20%。时间分辨实验进一步表明，有用的辐射过程占主导，而浪费性的非辐射通道被强烈抑制。

器件内部更好的电荷通道

同样重要的是，咔唑基有助于电荷在器件中更容易移动。发光层毗邻一种称为 TPBi 的电子传输材料，后者也含有扁平的芳香环。(TPPEtCz)2Sb2Br8 中的咔唑环与 TPBi 中的苯并咪唑环可以面对面堆叠，这是一种弱但高度有序的相互作用，称为 π–π 堆积。光谱测量和计算机模拟证实，这种堆积改变了界面的能级并降低了电子流入发射体的势垒。器件级测试显示电阻降低、电子和空穴注入更均衡，并且在 LED 打开时更快速、更干净地建立起发光，电荷堆积与浪费减少。

创纪录的性能与大面积器件

将这些优势结合起来，研究者制造出外量子效率峰值达 19.4% 的红光 LED，在无铅金属卤化物发射器中创下纪录——约为此前最佳锑基器件的四倍。新 LED 的寿命也大幅延长：在实用亮度下，其亮度衰减到一半所需时间约为 10,000 分钟，而对照组则仅为几分钟。团队还制备了边长超过 3 cm 的大面积器件，能够均匀发出明亮的红光，只带来小幅的效率下降。他们进一步测试了几种相关的基于咔唑的分子，发现尽管细节有所不同，但采用咔唑功能化阳离子的总体策略始终优于旧设计。

对未来照明与显示的意义

对非专业读者而言，关键结论是：通过在混合材料的有机部分进行巧妙的分子设计，可以释放其无机发射体的全部潜力。通过使用携带咔唑的阳离子，研究者得以生长出更纯净的晶体、减少内部损失并在 LED 堆栈内建立更好的电接触——所有这些都发生在一种可溶液加工、无铅的体系中。高效率、长寿命与大面积均匀性的组合表明，混合锑卤化物 LED 有望成为未来低成本且更环保的照明与显示技术的有力候选者。

引用: Ma, Z., Chu, W., Peng, Q. et al. Efficient solution-processed light-emitting diodes based on organic-inorganic hybrid antimony halides. Nat Commun 17, 1865 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-68597-9

关键词: 锑卤化物 LED, 混合金属卤化物, 溶液加工照明, 无铅钙钛矿替代方案, 有机阳离子工程