提高鈣鈦礦薄膜穩定性，創造全無機鈣鈦礦LED壽命新紀錄！
b）鈣鈦礦LED的平帶能量示意圖
c）CsPbBr3薄膜的歸一化光致發光光譜，以及當外加電壓為5.5 V時鈣鈦礦LED的電致發光光譜
金屬鹵化物鈣鈦礦（metal halide perovskites）被視為用於制造發光二極管（LED）器件的未來新一代物料，鈣鈦礦LED也因此吸引了越來越多的科研人員投入研究。最近由香港城市大學（香港城大）與其他院校的科研人員共同領導的一項聯合研究便取得成果，研究團隊開發出一種嶄新而高效的制造方法，能生產出光學性能和穩定性更佳的全無機鈣鈦礦薄膜，並用於制造高色純度、低成本和壽命更長的鈣鈦礦LED器件。
鈣鈦礦LED是一種新興的發光技術，不僅制造成本低，而且光質量高和節能環保。金屬鹵化物鈣鈦礦（即含有氯、溴或碘的金屬化合物）因具有良好的光學性能，如發光顏色更飽和和易於調色等，近年來引起了廣泛關注， 被視為用於溶液制備LED器件的極具潛力的物料。
尤其值得指出的是，以無機銫陽離子制成的鈣鈦礦，即CsPbBr3（X可以是氯、溴或碘），相較有機─無機的“雜化”金屬鹵化物鈣鈦礦，前者的熱穩定性和化學穩定性更佳，因而有希望成為高效能、運行穩定性良好的LED器件的基礎。然而，由於以往的無機鈣鈦礦晶粒尺寸較大，導致所制造出來的鈣鈦礦LED的電致發光性能較差。如何減少晶粒尺寸、優化晶粒晶界，使鈣鈦礦薄膜的表面光滑和無缺陷，成為目前大幅提高全無機鈣鈦礦LED應用價值的關鍵所在。
最近，香港城大和上海大學合組的一支研究團隊，便開發出一種有效的方法，能制造出表面光滑的無機鈣鈦礦薄膜，使其性能和穩定性均顯著提升。 他們的研究結果最近以“用三氟乙酸為基礎的小晶粒CsPbBr3鈣鈦礦薄膜制造出高效穩定的發光器件”（Trifluoroacetate induced small-grained CsPbBr3 perovskite films result in efficient and stable light-emitting devices）為題，發表在科學雜志《自然通訊》（2019,10,665）上。
研究團隊發現，在一步法溶液塗層(one-step solution coating)中使用較高溶解度的三氟乙酸銫（cesium trifluoroacetate, CsTFA）作為銫源，取代常用的溴化銫（CsBr），可以使CsPbBr3鈣鈦礦晶體快速結晶成小晶粒，形成光滑平整且無針孔的鈣鈦礦薄膜。這是因為TFA陰離子與Pb2+陽離子在CsPbBr3前驅液中產生相互作用，大大加快了鈣鈦礦薄膜的結晶速度，並抑制了表面出現的缺陷。
因此，研究團隊成功利用這些薄膜，制造出了高效和穩定性良好的鈣鈦礦LED發光極管，當鈣鈦礦LED發出綠色光時，最大電流效率為32.0 cd A-1 ，最高外量子效率為10.5%——在現有的鈣鈦礦LED 器件中，這是令人相當滿意的水平。
更重要的是，以這些薄膜制造的全無機鈣鈦礦LED器件，顯示出了創紀錄的運行壽命。當初始亮度為100 cd m-2時，這些器件的半衰期（half-lifetime）超過250小時，與CsBr制造的鈣鈦礦LED器件相比，壽命延長了17倍，成為目前無機鈣鈦礦發光二極管最長的器件運行壽命。
“我們的研究表明，只要簡單地優化晶粒晶界，便可利用高色純度和低成本的全無機鹵化鉛鈣鈦礦薄膜，制造出高效穩定的LED器件。”本論文的通訊作者之一、香港城大材料科學及工程學系光子材料講座教授Andrey Rogach說。
“我預視到這種薄膜有巨大的應用潛力，因為它們易於制造，並可通過打印沉積，以制造各種光電器件。”他補充道。
Andrey Rogach教授同時也是香港城大的功能光子研究中心主任。他從事化學合成納米材料的制備和光學光譜的相關研究已有25年，發表了超過400篇論文，並獲廣泛引用（超過40,000次），獲科睿唯安（Clarivate Analytics）選為2018年高度被引用研究人員之一。他於2011年湯森路透的“全球頂尖100名材料科學家(2000-2010)”排名中排第51位。他現為國際著名期刊ACS Nano雜志副主編。
本論文的另一位通訊作者是上海大學的楊緒勇教授。共同第一作者是上海大學的王浩然，以及曾在香港城大當訪問研究生、現為吉林大學博士後的張曉宇。
DOI number: 10.1038/s41467-019-08425-5
