量子点是实现高性能光电器件可靠制造的重要材料之一。在传统胶体量子点合成中，为了维持其在溶剂中稳定存在，会在其表面引入大量有机配体。然而，有机配体的存在极大地阻碍了电荷在量子点之间的输运效率，限制了其在众多半导体光电器件中的应用潜力。因此，深挖量子点形成机制与材料内部载流子动力学输运行为，开发“新材料、新工艺、新器件”是实现高性能量子点光电器件、推动半导体量子点技术革新的必然需求。

针对以上挑战，南开大学陈军院士、袁明鉴研究员带领的科研团队与加拿大多伦多大学Edward Sargent教授课题组合作，围绕高性能半导体量子点固体合成中面临的关键科学问题，通过表面有机配体化学结构理性设计，发展了高性能导电钙钛矿量子点固体薄膜制备全新策略，实现了多材料、跨尺寸的高性能钙钛矿三原色电致发光器件的可控构筑。

图1. 钙钛矿量子点固体薄膜原位可控合成策略示意图。

在持续探索适配于器件制造工艺的钙钛矿半导体材料合成新方案的过程中，研究团队发现，通过改变有机配体结构，可以有效诱导钙钛矿材料维度信息、电子能带结构、激子效应等理化特性转变。由此，研究团队创造性地提出了适用于一步法基底原位合成策略的α-甲基-4-溴基苄基铵阳离子（Br-DMA+）及α,α-二甲基-4-溴基苄基铵阳离子（Br-DMA+）全新配体，实现了近乎在全可见光谱发射的CsPbBr3与CsPbI3钙钛矿量子点固态薄膜可控制备。由于该策略可以有效避免传统量子点制备策略中所面临的配体易脱落、配体过多致使光学性能差、导电性差等问题，所合成的钙钛矿量子点固态薄膜具有极佳的光学与电学性质。同时，研究团队利用该钙钛矿量子点固态薄膜材料构筑了电致发光二极管器件，并成功实现了具有接近Rec. 2100显示色彩标准的高能量转换效率三原色电致发光二极管的可控制备。

图2. 基于该策略所获得的高质量钙钛矿量子点固体薄膜及高性能半导体器件。

该研究从化学学科出发，利用光学、凝聚态物理、半导体器件等交叉学科手段，成功实现了半导体材料理化性质可控调节。该成果打破了传统量子点合成策略的瓶颈，发展了全新的原位合成量子点固体薄膜新原理与新方法，同时也为钙钛矿量子点材料在其它半导体光电器件中的进一步应用提供了新思路。

相关成果以“Synthesis-on-Substrate of Quantum Dot Solids”为题发表在《自然》（Nature）期刊上。南开大学为第一通讯单位；姜源植博士、孙长久、徐健博士和李赛赛为该论文共同第一作者；袁明鉴研究员、陈军院士、多伦多大学Edward Sargent教授为该论文通讯作者。上述研究工作得到了科技部重点研发计划、国家自然科学基金委创新群体、国家杰出青年科学基金、中国博士后科学基金和物质绿色创造与制造海河实验室的资助。

来源：半导体学报