《自然》在線發表南開新能源團隊科研成果

12月22日，南開大學化學學院研究員袁明鑒、中國科學院院士陳軍帶領的科研團隊與加拿大多倫多大學科研人員合作，圍繞高性能半導體量子點固體合成中面臨的關鍵科學問題，通過表面有機配體化學結構理性設計，發展了高性能導電鈣鈦礦量子點固體薄膜制備全新策略，實現了多材料、跨尺寸的鈣鈦礦三原色電致發光器件的可控構筑。近日，該研究成果發表在最新一期《自然》。

量子點是一種尺寸微小、直徑在2-10納米（10-50個原子）之間的半導體納米晶體材料。由于其顆粒半徑小于或者接近波爾半徑，體系中的電子或空穴的運動相當于被限制在量子力學勢阱中，原本在宏觀體系下準連續的能級分布變得分立，量子點因此展現出一系列量子化效應，稱為量子尺寸效應。因其這種獨特的性質，量子點材料得到了深入研究和廣泛應用。自上世紀70年代中期以來，利用量子點代替傳統的半導體材料實現高性能光電器件成為非常重要的研究方向。

在傳統膠體量子點合成中，為了維持其在溶劑中的穩定性，量子點表面會被引入大量有機配體。然而，有機配體的存在極大地阻礙了電荷在量子點之間的輸運效率，嚴重限制了量子點材料在眾多半導體光電器件中的應用潛力。因此，深挖量子點形成機制與材料內部載流子動力學輸運行為，開發“新材料、新工藝、新器件”是實現高性能量子點光電器件、推動半導體量子點技術革新的必然需求。

高性能鈣鈦礦量子點固態薄膜及其電致發光器件。南開大學供圖

南開大學袁明鑒、陳軍科研團隊長期聚焦高性能半導體光電轉換材料及器件研究。在持續探索適配于器件制造工藝的鈣鈦礦半導體材料合成新方案的過程中，研究團隊發現，通過改變有機配體結構，可以有效誘導鈣鈦礦材料維度信息、電子能帶結構、激子效應等理化特性轉變。基于上述發現，研究團隊隨后對配體進行理性設計，創造性地實現了在基底表面上的高質量導電鈣鈦礦量子點固體薄膜原位合成全新策略。

由于該策略可以有效避免傳統量子點制備策略中所面臨的配體易脫落、配體過多致使光學性能差、導電性差等問題，所合成的鈣鈦礦量子點固體薄膜具有極佳的光學與電學性質。同時，研究團隊將該高性能鈣鈦礦量子點固體薄膜材料引入電致發光二極管器件中，并成功實現了具有高能量轉換效率的三原色電致發光二極管的可控構筑。

據了解，該研究從化學學科出發，利用光學、凝聚態物理、半導體器件等交叉學科手段，成功實現半導體材料理化性質可控調節的典型案例。該成果打破了傳統量子點合成策略的瓶頸，發展了全新的原位合成量子點固體薄膜新原理與新方法。

《自然》期刊審稿人對該研究給予高度評價：“這項工作為鈣鈦礦量子點合成及應用提供了一種具有高度普適性及精確可控性的全新范例；更為重要的是，該策略以固體薄膜的形式實現了這一點，而這是電致器件制造所必須的組成部分；由于此前無法獲得足夠小的高質量導電量子點固體，領域發展多年來一直受到制約，這項研究以一種普適的方式妥善地解決了這個問題；這項研究代表著這一領域的重大突破！”