微纳材料设计与制造研究中心

卤化铅钙钛矿量子点（PQDs）由于具有可调谐的窄带发射、低半峰宽（FWHM）和可扩展的合成的优势，在增强/虚拟现实（AR/VR）中应用的微型LED等下一代显示技术中具有很高的应用前景。然而，由于其表面缺陷与配体解吸等问题，在实际应用中面临在热、氧化和水分等外部因素下稳定性差的挑战。

目前，钙钛矿量子点的钝化往往采用与长配体和无机卤化物交换配体的方法。然而，并不是所有的配体交换都能实现完全的表面钝化，只有特定的配体才能完全消除表面悬空键。此外，由于缺乏与外界环境的分离，有机配体的解吸和量子点的结构降解仍然存在。在之前的工作中，原子层沉积（ALD）方法已经成功地在原子尺度上钝化表面缺陷和封装量子点，显著提高了绿色量子点的稳定性^[1,2]。但三甲基铝（TMA）和其他高活性前驱体与油酸（OA）配体在量子点表面发生反应，导致配体发生从Pb到Al的重组，产生有害的低配位Pb原子，导致PL猝灭。据我们所知，目前还没有开发出同时稳定RGB量子点的通用ALD工艺，这对它们的实际应用至关重要。

为实现上述目标，华中科技大学陈蓉研究团队开发了一种在较低温度（50℃）下使用二甲基异丙氧基铝（DMAI）前驱体的温和ALD方法，显著提高了RGB钙钛矿量子点在全彩微型LED显示屏中的光学性能和稳定性。DMAI前驱体与油酸的–COOH基团反应，通过在配体和钙钛矿量子点之间形成Al–O键钝化表面缺陷，随后形成保护八面体结构的纳米级氧化铝“铠甲”。此外，该团队还根据改性的量子点制备了三色微型LED，并实现了超原始量子点8倍的运行稳定性。这种方法为开发用于商业LED应用的耐用、高性能量子点提供了切实可行的途径。相关成果以“Atomic-Scale Passivation Strategy for Stabilizing Tricolor Perovskite Quantum Dots with Enhanced Photoluminescence”发表在Journal of Information Display期刊上（DOI: 10.1080/15980316.2025.2492615）。硕士生张艺磊为第一作者，陈蓉教授、曹坤教授为共同通讯作者^[3]。

图1. ALD修饰对RGB量子点的保护机制示意图。

图2. ALD修饰前后RGB量子点的表征。（a）时间分辨PL衰减光谱及拟合曲线。（b）1200 –1800 cm⁻¹的FTIR光谱。（c）Pb 4f, （d）卤素（Br 3d, Cl 2p, I 3d）的XPS元素扫描谱。（e）二聚体DMAI在RGB量子点上的表面反应途径。

ALD修饰前后RGB量子点的PL衰减曲线，如图2（a）所示。衰减曲线采用双指数法拟合， RGB量子点的平均寿命明显增加。这一趋势表明，在被缺陷捕获之前，载流子处于激发态的停留时间更长，有效地减少了缺陷介导的捕获事件，强烈抑制了缺陷相关的快速激子捕获过程。傅里叶变换红外光谱（FTIR）证实DMAI可插入羧基形成COO–Al键，并且铝原子仅插入油酸（OA）配体的羧基钝化缺陷位点，而不会引发配体重排，这证明ALD过程既未破坏晶格结构也未损伤表面配体。XPS结果证明Al–O键的插入，卤素结合能在ALD后均向高能方向移动，表明八面体结构更稳定。

图3.（a）ALD修饰RGB量子点示意图。（b）ALD修饰前后RGB量子点的吸收光谱和PL光谱，（c）ALD修饰前后RGB量子点的XRD图谱，（d）PLQY。

如图3（b）所示，ALD修饰后RGB量子点的光致发光（PL）强度显著提升，且发射峰的位置未发生改变。发射峰的稳定性表明ALD修饰未显著影响量子点尺寸，XRD图谱（图3（c））中衍射峰的位置也无明显偏移，证实了晶格结构的完整性。此外，图3（d）显示ALD修饰后RGB量子点的PLQY值较原始样品提升超70%，证明ALD处理能不同程度地增强量子点的光学性能。

图4. ALD修饰前后RGB量子点的稳定性比较。（a）强蓝光激发60分钟。（b） 150℃退火后的相对PL强度。（c）水浸泡。（d）RGB量子点在水中浸泡30分钟后的紫外激发对比图。

为评估ALD修饰后量子点的稳定性，研究团队在不同严苛条件下测试了RGB量子点的PL发射强度。在持续蓝光辐照60分钟后，修饰后的量子点薄膜发光强度保持率远优于原始样品；在150℃高温环境下，ALD处理使量子点热稳定性达到行业领先水平，克服了钙钛矿材料在LED器件高温工作环境（可达373K）中的热淬灭难题；耐水性测试显示修饰后的量子点薄膜在浸水30分钟后仍能维持80%的初始发光强度，而原始样品仅2分钟便完全失活。这些突破性成果源于ALD工艺独特的Al–O键化学钝化和AlO_x物理封装协同效应，该技术为量子点在光电器件中的实际应用提供了关键的稳定性保障。

图5. （a）荧光显微镜观察到的RGB Micro-LED器件。（b）基于原始和ald修饰的钙钛矿量子点的微型led发光强度的空气稳定性。（c）不同电压下白光LED的PL光谱（插图：器件在2.5V工作电压时的照片）。

基于改性后钙钛矿量子点优异的光稳定性和高荧光发光强度，研究团队采用叠层光刻辅助填充法制备了分辨率达50微米的三色量子点图案，呈现出高对比度的明亮发光和优异的均匀性。此外，通过将修饰后的红光、绿光量子点与商用蓝光LED芯片集成，成功制备了白光LED器件。该白光LED在激发电压下表现出稳定的工作特性，量子点发光性能保持稳定且半峰宽维持较窄。这种高流明LED器件中展现的稳定性提升，充分证明了这种温和ALD修饰策略在钙钛矿量子点LED显示应用中的巨大潜力。

综上所述，本工作提出了一种结合量子点表面缺陷选择性钝化和AlO_x涂层封装的通用ALD改性策略。结果表明，通过在原子层沉积的方法修饰量子点对于提高量子点发光性能及稳定性是切实可行的。我们提出的三色钙钛矿量子点通用策略为提高为开发用于商业LED应用的耐用、高性能量子点提供了一条实用的途径。

参考文献：

[1] Y. Jing, K. Cao, B. Zhou, S. Geng, Y. Wen, B. Shan and R. Chen, Two-Step Hybrid Passivation Strategy for Ultrastable Photoluminescence Perovskite Nanocrystals, Chem. Mater. 32, 10653-10662 (2020).

[2] Q. Xiang, B. Zhou, K. Cao, Y. Wen, Y. Li, Z. Wang, C. Jiang, B. Shan and R. Chen, Bottom up Stabilization of CsPbBr₃ Quantum Dots-Silica Sphere with Selective Surface Passivation via Atomic Layer Deposition, Chem. Mater. 30, 8486-8494 (2018).

[3]  Y. Zhang, D. Wen, M. Wang, T. Zhang, K. Cao and R. Chen, Atomic-scale passivation strategy for stabilizing tricolor perovskite quantum dots with enhanced photoluminescence. Journal of Information Display, 1–11 (2025).