近日，理学院物理系宋宏伟课题组在能源领域国际知名期刊《ACS Energy Letters》上发表题为《Synergistic Bulk-Surface Regulation in Perovskite Quantum Dots for Highly Efficient 1.54 μm Electroluminescence》的研究成果。上海大学理学院2023级博士研究生沈红为第一作者，通讯作者为理学院的宋宏伟教授和王天源博士后。文章的合作者还有理学院的戴晔教授、孙丽宁教授、张杰副教授、徐飞副教授等。上海大学为唯一完成单位和通讯单位。
1.54μm 近红外电致发光在光通信、生物成像、夜视系统及深组织活体成像等领域具有不可替代的战略价值。该波段与光纤通信 C 波段（1520–1560 nm）高度吻合，兼具人眼安全性和生物组织低吸收、低散射特性。然而，基于稀土掺杂钙钛矿量子点（PQDs）的1.54 μm 电致发光器件长期受限于 Er³⁺本征发射弱、Yb³⁺→Er³⁺ 能量传递效率低以及表面缺陷诱导的非辐射复合等瓶颈问题，器件效率与工作稳定性难以兼顾。如何在原子尺度上协同优化钙钛矿基质的体相晶格环境与量子点表面态，成为该领域亟待突破的关键科学问题。
针对上述挑战，研究团队提出了一种“体相—表面协同重构”策略，系统解决了稀土掺杂钙钛矿量子点中能量传递效率低与表面缺陷复合严重的双重难题。在体相晶格内部，研究团队通过引入Na⁺填充Pb空位并扰动局域晶体场对称性，有效抑制了非辐射衰减通道，同时使 Er³⁺和Yb³⁺的辐射跃迁速率分别提升7.83倍和3.30倍。Yb³⁺到Er³⁺的能量传递效率由15%大幅提升至56.6%，基质到稀土离子的能量传递效率由22%跃升至78%。在量子点表面，研究团队利用三氟甲磺酸根（OTF）的 Lewis 碱特性，通过强配位作用钝化卤素空位和欠配位 Pb 缺陷，将1.54μm 处的光致发光量子产率（PLQY）提升至45%，为目前稀土掺杂钙钛矿薄膜的领先水平。基于上述体相与表面的协同优化，研究团队制备的1.54μm 近红外钙钛矿发光二极管实现了3.27%的外量子效率（EQE）、2.031 mW sr⁻¹ cm⁻²的峰值辐射亮度，以及超过120分钟的工作半衰期（T₅₀）。其中，EQE 和辐射亮度均为基于铅基钙钛矿的1.54μm近红外LED 的创纪录性能指标，器件工作寿命较此前报道的稀土掺杂铅基钙钛矿近红外发光器件提升两倍以上。该工作不仅揭示了 Na⁺体相调控与 OTF 表面钝化在抑制缺陷、重塑能量传递路径方面的协同物理机制，也为低成本、硅兼容的光通信及集成光子学近红外光源的发展提供了全新范式。
本工作得到了国家重点研发计划“纳米前沿”重点专项(批准号：2024YFA1209501，2024YFA1209502)、国家自然科学基金原创探索计划项目(批准号：62350054)、国家自然科学基金(批准号：12374379)等项目的支持。
论文链接：https://doi.org/10.1021/acsenergylett.6c01931
