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北京交通大学唐爱伟教授团队：I-III-VI族半导体纳米晶的组分工程与应用
近日，北京交通大学唐爱伟团队的AMR述评文章“Component Engineering in Multinary Alloyed I-III-VI Type Semiconductor Nanocrystals for Photoluminescence and Electroluminescence”在线发表。文章着重讨论了不同颜色和不同类型的I-III-VI族半导体纳米晶的组分调控和发光性能，尤其是I-III-VI族半导体纳米晶的发光光谱窄化的突破，进一步论述了它们在电致发光二极管方面的应用，最后总结了这一材料体系目前所面对的问题并提出了解决方向。
关键词：I-III-VI族纳米晶，无镉，组分工程，光致发光，电致发光
I-III-VI type NCs are considered as the ideal candidate to replace the Cd-based QDs due to the advantages of abundant sources, simple synthesis methods with high productivity, controllable emitting region from blue to near-infrared.
By component engineering of I-III-VI type NCs, the luminescence of NCs can be controlled from blue to red. Additionally, unlike the traditional I-III-VI type NCs with wide-band emission, the narrow-band emission NCs can also be realized.
EL devices efficiency can be enhanced closing to the highest level through interface engineering. Moreover, the white LEDs for lighting application also can be realized by mixing yellow-emitting Cu-In-Zn-S and other blue-emitting materials.
01 文章内容简介
随着信息技术的不断发展，显示技术的革新迫在眉睫。量子点发光二极管被视为下一代显示技术的有力竞争者之一。但是目前性能优异的II-VI族镉基量子点材料具有生物毒性，不利于可持续发展，亟需寻求可替代的无镉量子点材料。I-III-VI族半导体纳米晶具有原料来源广泛、合成方法简单高效、发光窗口可调谐，被视为镉基材料的有效替代品之一。北京交通大学唐爱伟教授课题组在I-III-VI族纳米晶的可控合成及电致发光器件应用方面深耕多年，取得了一系列研究成果。首先，采用胶体化学方法通过简单的组分调控，成功制备出一系列不同发光颜色的I-III-VI族纳米晶。另外，由于多缺陷态发光的特性，I-III-VI族纳米晶发光光谱通常较宽，不利于其在显示方面的应用。针对这一问题，该课题组通过控制反应条件制备出了窄谱带发光的I-III-VI族半导体纳米晶。
进一步，将所合成出的不同类型的I-III-VI族纳米晶作为发光层，构筑出不同发光颜色的电致发光器件。令人兴奋的是，以窄谱带蓝光Ag-Ga-Zn-S纳米晶作为发光层，成功得到了具有窄谱带发光特性的电致发光器件。此外，还采取了一系列界面工程策略，平衡了发光器件中的载流子注入和输运，提高了电致发光器件的性能。同时，利用黄光Cu-In-Zn-S纳米晶发射光谱较宽的特点，与其他多种蓝光材料结合，成功研制出白光电致发光器件，显示出其在照明领域的应用潜力。
最后，课题组总结了目前I-III-VI族纳米晶所面临的问题和挑战，并针对性给出一些建议和思考，以推动无镉I-III-VI族纳米晶的发展。
02 AMR：请问您选择该领域的初心是？
作者团队：
随着社会的发展进步，显示和照明对人类生活越来越重要，它们的发展也将不断改善人们的生活。随着生活水平的提升，人们对显示和照明技术的要求也越来越高。目前，显示技术已从液晶时代逐渐进入了OLED，QLED和Micro LEDs时代。作为显示和照明技术的核心，发光材料的研究也越来越热。因此，课题组着眼于未来显示和照明技术发展的需要，不断在量子点发光材料和发光器件领域耕耘探索，以推动行业发展。近年来，随着环保要求越来越高，无镉量子点材料和器件备受关注。课题组以I-III-VI族半导体量子点作为研究对象，通过十余年的默默耕耘，取得了一些有意义的结果。
03 AMR：您对该领域有何发展愿景？
作者团队：
无镉I-III-VI族纳米晶的性能目前远落后于其他无镉纳米晶，但I-III-VI族纳米晶具有优异的稳定性和合成简单等优势，在实际应用中具有一定的竞争力。为了提升材料性能，实现快速追赶，首先需要对纳米晶的发光机理进行更深刻的理解，采用理论计算等方式来理解纳米晶的各类缺陷态来源和激子复合方式，针对性地进行纳米晶的合成和优化，提升其发光性能。其次，窄谱带I-III-VI族纳米晶研究对于显示领域来说具有重要意义，提升发光材料色纯度是该领域内未来发展的重要方向。最后新型传输层材料和器件结构的开发也是至关重要的，目前不平衡的载流子注入严重制约了电致发光器件性能的提升，如何实现更加平衡的载流子注入和改进材料的纳米结构是提升电致发光性能的关键。
作者团队简介
唐爱伟，北京交通大学物理科学与工程学院教授，目前担任学院院长。2009年在北京交通大学获得理学博士学位；2009年至2011年在中国科学院半导体研究所半导体材料重点实验室从事博士后研究，合作导师为王占国院士；于2011年加入北京交通大学，曾入选北京交通大学卓越百人计划，先后获得北京交通大学五四青年奖章、优秀主讲教师和教学成果奖等荣誉。长期从事面向下一代照明与显示的光电功能材料和发光器件的开发和研究，发表高水平论文140余篇。现任《发光学报》编委，Journal of Semiconductors青年编委等学术职务。
訚哲，北京交通大学物理科学与工程学院副教授。2020年在清华大学取得理学博士学位，并于2021年加入唐爱伟教授课题组，主要从事无铅钙钛矿材料合成及其光电器件性能研究。
王立瑾，中国科学院半导体研究所博士后。2023年在北京交通大学取得工学博士学位，随后加入中国科学院半导体研究所从事博士后研究。主要研究方向是I-III-VI族和II-VI族半导体纳米晶合成及发光二极管研究。
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Component Engineering in Multinary Alloyed I-III-VI Type Semiconductor Nanocrystals for Photoluminescence and Electroluminescence
Lijin Wang, Zhe Yin* and Aiwei Tang*
原文链接：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/accountsmr.4c00161
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