南京理工大学曾海波团队：巧用氟化物添加剂，低成本打造高性能天蓝光钙钛矿LED | 《光学学报》亮点文章

准二维（quasi-2D）钙钛矿材料，因其天然形成的量子阱结构和较高的激子结合能的优势，在钙钛矿发光二极管领域展现出显著的应用前景。然而，该类材料中无序的相分布及较高的表面缺陷密度，严重制约了器件性能的提升。南京理工大学曾海波教授团队利用低成本的三氟乙酸铯（TFACs）作为添加剂，通过氟化物添加剂中高电负性的氟原子与Pb²⁺的强配位作用有效降低缺陷态密度，同时利用氟原子与有机间隔阳离子形成的氢键，从而精准调控低维相分布，优化能量转移路径。基于此策略制备的quasi-2D PeLEDs最大外量子效率达5.92%，亮度超3643.59 cd/m²，为实现低成本高性能钙钛矿发光器件提供了新路径。相关成果发表在《光学学报》“钙钛矿光子与光电子器件”专题（2026年第20期），并被选为亮点文章。

链接：侯璐, 王益飞, 张坤, 董旭钊, 王自强, 苏玉琴, 相恒阳, 曾海波. 低成本氟化物添加剂实现高性能蓝光钙钛矿发光二极管（特邀）[J]. 光学学报, 2026, 46(20): 2000011.

研究背景

准二维（quasi-2D）钙钛矿材料凭借其天然形成的量子阱结构、较高的激子结合能及优异的能量漏斗效应，被认为是实现高效稳定PeLEDs的理想材料体系。然而，随着准二维钙钛矿中晶体尺寸的减小，薄膜内易形成大量混合n相，quasi-2D薄膜低维相（n = 1,2,3…）普遍存在的晶界缺陷、离子迁移及相分离问题，会降低器件效率并恶化其稳定性。

为了实现器件性能的提升，研究人员引入强配位添加剂（如路易斯碱），使其与钙钛矿表面未配位的Pb²⁺发生配位，从而有效钝化表面缺陷并抑制非辐射复合。然而，目前多数添加剂的研究仍局限于对单一缺陷类型的钝化，功能较为单一。因此，如何借助单一功能材料同时实现缺陷钝化、相调控与结晶控制，仍是该领域亟需解决的关键问题。

本研究提出采用氟化物添加剂实现对蓝光quasi-2D钙钛矿薄膜的缺陷、相位及结晶质量的多重调控的策略。同时利用低成本苯乙基溴化铵（PEA）与无机氟化物添加剂[如 TFACs、三氟乙酸铵（TFANH₄）]相结合的方案替代对氟苯乙胺溴（FPEA） ，以构建低成本、高性能的钙钛矿发光器件。基本策略是：含氟阴离子与Pb²⁺发生强配位作用，钝化薄膜表面缺陷；同时，F原子与PEA⁺之间的氢键相互作用可抑制低维相的形成，促进中高维相的均衡分布。

首先，通过成本计算，采用PEA与无机氟化物添加剂相结合的方案替代FPEA，可使成本降低61%。实验上，PL光谱表明，氟化物添加剂的引入可有效抑制低维相（n=1）的形成。同时，傅里叶变换红外光谱结果表明，氟化物添加剂引入后可观察到C–F键的相关特征。

图1 氟化物添加剂的作用机理。（a）原始钙钛矿和目标钙钛矿中缺陷钝化和低维相调节的示意图；（b）不同体系下单个器件功能层的药品耗用成本对比图；（c）不同体系PL光谱；（d）不同体系的局部放大PL光谱图；（e）不同体系的处理后薄膜的局部红外光谱对比图

通过原位PL光谱表征（图2）可知，加入氟化物添加剂后，原位PL强度相对于PEA体系增强，且PL峰发生红移。表明添加剂与钙钛矿发生强相互作用，促进了缺陷钝化，同时晶体尺寸增大，更有利于相集中分布。进一步，通过对quasi-2D钙钛矿薄膜光谱、晶体结构和形貌进行表征分析（图3）。PL光谱和吸收光谱表明，氟化物添加剂的引入能够有效实现Quasi-2D钙钛矿薄膜中的相位调控，其中，TFACs表现出更优异的效果。XRD结果表明，氟化物添加剂的引入进一步提高了晶体的结晶度。同时，原子力显微镜（AFM）显示，TFACs体系薄膜粗糙度（RMS）由PEA体系的4.78 nm降至1.54 nm，致密性显著提升。

图2 氟化物添加剂的旋涂结晶动力学调控机制。（a-d）四种体系（PEA、FPEA、PEA+TFACs、PEA+TFANH₄）处理得到的钙钛矿薄膜的原位PL光谱图；（e）不同体系下峰位随时间变化曲线；（f）在478 nm下，不同体系PL强度随时间的变化曲线

图3 不同体系的Quasi-2D钙钛矿薄膜光学性能和形貌。（a）归一化PL光谱；（b）吸收光谱；（c）XRD光谱；（d）AFM图像

基于优化后的薄膜制备了结构为ITO/PVK/quasi-2D Perovskites films/TPBi/LiF/Al的PeLEDs（图4）。J-V曲线表明经TFACs处理薄膜有效抑制了漏电流。最终器件实现了5.92%的最大外量子效率和3643.59 cd/m²的最大亮度，相较于PEA器件（1.94%，2354.94 cd/m²）分别提升3.05倍和1.55倍。且电致（EL）发光光谱显示，TFACs体系具有更稳定的EL光谱。

图4 基于不同体系的钙钛矿薄膜的PeLEDs性能。（a）PeLEDs器件示意图；（b-d）四种体系（PEA、FPEA、PEA+TFACs、PEA+TFANH4）制备得到的PeLEDs器件的电压-电流密度特性曲线、电压-亮度曲线、电压-外量子效率曲线；（e）不同驱动电压下PEA体系的天蓝光PeLEDs器件EL光谱；（f）不同驱动电压下PEA+TFACs体系的天蓝光PeLEDs器件EL光谱

本研究通过TFACs实现了对准二维钙钛矿薄膜缺陷、相结构及结晶质量的多重调控，为开发低成本、高效且稳定的PeLEDs提供了一种简便有效的添加剂工程策略。未来，研究人员将进一步探索其他类型氟化物添加剂在蓝光PeLEDs中的应用，推动quasi-2D钙钛矿发光器件迈向实际应用。

相恒阳，南京理工大学，江苏省科技进步奖一等奖获得者（排2/11，2026），江苏省优青（2024），江苏省双创博士（2020）。长期从事半导体发光显示研究。先后主持国家自然科学基金青年项目、国家重点研发计划子课题、江苏省优青等项目。近5年在Advanced Materials、Advanced Functional Materials 等期刊发表通信/一作论文50余篇，被引近3000次，ESI高被引3篇，获授权发明专利4件。

曾海波，南京理工大学材料学院院长，杰青，国家领军人才，重点研发计划首席科学家。长期从事量子点显示发光与驱动研究。主持国家重点研发项目、国家973计划课题、国家自然科学基金委员会杰青、优青、重点项目等20余项。在Nature Materials、Nature Photonics、Advanced Materials 等期刊发表论文60余篇，他引60000余次，H因子120，连续9年入选“全球高被引科学家”。获授权发明专利45项、PCT专利3项、国家标准2项，成果转化形成“惟怡-量子点(VEQD)”等新型显示产品，孵化国家级“高新技术企业”1个（南通唯怡新材料科技有限公司），量子点显示透镜市占率全国第一。以第一完成人获国家级教学成果二等奖1项、省部级科技一等奖3项。