分子系暨高分子所 郭霽慶教授、陳威丞同學

自1904年後，科學家首次發現半導體材料之電致發光特性後，各項發光材的突破性發展接踵而來，先是磷砷化鎵（GaAsP）半導體化合物實現了紅光商用發光二極體(LED)，再來透過氮摻雜製程使GaAsP元件的效率達到每瓦1流明，並且能夠發出紅光、橙光和黃色光，最後至1994年，史上第一個藍光LED降世，日本科學家中村修二透過InGaN(氮化銦鎵)發展出藍光LED，由此開啟了GaN基LED研究和開發熱潮，藍光的出現使得白光LED不再是夢想。縱使半導體LED具備著多項優異的特色，像是壽命長、節能、色彩多元、安全環保特性，但由於材料加工過程有著較高的製備成本與環境，因此找尋替代材料也是科學家積極發展之方向。

近年，全無機鹵化銫鉛鈣鈦礦量子點（PeQDs）已成為光學應用的潛在極好材料，例如存儲單元，光電探測器，太陽能電池，雷射器，奈米纖維和發光二極體由於它們的吸收光譜寬，發射光譜的可調性好，色純度高，光致發光量子產率（PLQY）高以及全光譜窄最大寬度的一半（FWHM）。值得注意的是，可以透過簡易的溶液製程，在過去幾年中，通過結合界面工程、純化過程、電荷和載流子遷移率之間的平衡、以及陰離子交換過程的使用，使全無機PeQDs發光二極體（LED）的外部量子效率（EQE）從0.7％顯著提高到14.4％，被譽為最有潛力的新穎發光材，但其製程穩定性以及配體絕緣問題依然阻礙其發展可能性。

本團隊與日本山形大學Prof. Kido(日本知名LED教授)共同合作，藉由雙邊親合配體銀混摻三辛基膦（TOP）進行的多步配體交換，可以克服典型的金屬缺陷鈍化和配體交換過程後的不穩定和絕緣情況。我們提出的方法在光致發光（PL）強度方面提高了幾倍，將PeQDs的PLQY從50％進一步提高到93.7％，除了具有出色的輻射複合性能外，此系統也提供高溫度和不同溶劑穩定性，並且可以在普通大氣環境下存儲1個月以上。為了分析此配體交換機制，我們在PLQY中比較了三種不同配體的樣品：時間解析光譜（TR-PL），核磁共振（NMR）和X射線光電子能譜（XPS）測量-D@QD（DDAB），T@QD（TOP）和Ag@QD（Ag-TOP）。在沒有雙邊親合配體下(D@QD 與 T@QD)，對PeQDs的保護就會受到阻礙，因此PLQY在大氣環境下會迅速衰變。另一方面，Ag @ QD可以明顯降低表面陷阱的密度，並使PeQDs表面周圍的溴離子同時穩定，進而提高其穩定性。最後我們將其應用於發光元件之上，展現低啟動電壓（2.8V），高發光效率（9.43％）和發光強度（3820 cd / cm²），通過使用此雙邊親合力配體（Ag-TOP）交換，我們獲得了不僅出色的光學性能、穩定性以及高水準的元件性能，奠定了發展PeQDs於LED新途徑，此項技術我們也於2021年初發表於國際知名期刊Chemical Engineering Journal 414, 128866 (2021) (https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.128866 ) (IF=10.65, Scopus ranking <1%)。

圖一、發光材料鈣鈦礦量子點配體交換與元件性能圖。