电致发光二极管（LED）作为新一代高效照明与显示技术的重要组成部分，对发光材料提出了高效率、低成本、环境友好和可宏量制备等多重要求。近年来，非铅金属卤化物因其低毒性、丰富的结构可调性和优异的发光性能，成为新型光电材料研究的热点。其中，膦配体基碘化亚铜团簇不含重金属元素、结构多样、荧光量子产率高，在溶液加工电致发光器件中展现出重要应用潜力。然而，该类材料长期面临规模化合成与溶液加工性之间的矛盾：提高溶解度通常需要引入柔性烷基链，却会增加材料沉淀纯化难度和生产成本；而有利于低成本沉淀制备的材料又往往溶液加工性不足，限制了高性能器件制备。因此，如何建立兼顾低成本宏量制备和高质量溶液加工的通用设计策略，是非铅金属卤化物发光材料走向实际应用的关键科学问题。
近日，北京化工大学软物质科学与工程高精尖创新中心谭占鳌课题组提出了一种热力学指导的分子设计策略，通过调控铜碘团簇溶解过程中的焓变、熵变和温度依赖性，实现了材料在室温下高效沉淀合成和高温下优良溶液加工性的统一。研究团队选择无烷基链、刚性芳香结构的双齿配体二苯基-2-吡啶基膦（Ph2PPy）构筑碘化亚铜团簇。该分子设计能够减少溶解过程中的构象熵增，同时通过增强分子间π-π相互作用、降低溶剂化作用调节溶解焓，从而获得适中且高度可调的溶解度。该策略成功突破了铜卤簇材料规模化制备与溶液加工难以兼顾的瓶颈。
基于上述热力学设计，研究团队在常温常压条件下，以乙腈为溶剂，通过单步沉淀法实现了(Ph2PPy)3(CuI)2的公斤级制备，产率高达98.7%。该方法无需复杂配体合成、惰性气氛保护或繁琐纯化步骤，具有高重复性、强工艺鲁棒性和高产物纯度，且材料前驱体成本低至0.26美元/克。此外，该单步沉淀策略还可拓展至其他无烷基芳香配体铜卤团簇体系，显示出良好的普适性，为低成本制备高性能无铅发光材料提供了新范式。
图1. (Ph2PPy)3(CuI)2的热力学调控、公斤级合成与薄膜形貌
在实现规模化合成的基础上，研究团队进一步利用材料溶解度的温度依赖性发展了热溶液加工策略。通过对成膜过程中晶体成核与生长动力学的调控，研究发现，在80 °C条件下进行热旋涂能够实现“快速成核—缓慢生长”的薄膜生长过程，从而获得形貌均匀、结晶适度且缺陷较少的发光薄膜。该薄膜的荧光量子产率最高达到85.49%。变温时间分辨荧光测试和理论计算表明，薄膜具有磷光和热活化延迟荧光双通道发射特征，较小的单重态—三重态能级差有利于反向系间窜越过程，从而提高激子利用效率并减少非辐射跃迁损失。
基于优化薄膜制备的电致发光器件表现出优异的性能。在无掺杂、溶液加工条件下，器件实现了最大外量子效率（EQE）21.08%、最大亮度（L）66388 cd m-2，为目前无掺杂溶液加工铜卤化物发光二极管中的最高水平之一。采用公斤级合成粉末制备的器件同样获得了EQE = 20.88%和L = 62487 cd m-2，证明了该规模化合成材料可直接用于高性能电致发光器件。此外，研究团队还制备了4 cm × 4 cm的大面积发光器件，实现了EQE = 16.47% 和L = 52063 cd m-2，展示出(Ph2PPy)3(CuI)2在低成本固态照明和大面积光电器件中的应用前景。
图2. (Ph2PPy)3(CuI)2薄膜的电学性质及电致发光器件性能
该工作以 “Thermodynamically guided kilogram-scale precipitation of copper iodide clusters for efficient solution-processed light-emitting diodes” 为题发表在《Science Advances》期刊上。第一作者为北京化工大学软物质科学与工程高精尖创新中心博士生庆轶朝和韩冰，通讯作者为北京化工大学材料科学与工程学院赵彪副教授和软物质科学与工程高精尖创新中心谭占鳌教授。该研究工作得到了北京市自然科学基金和化工资源有效利用全国重点实验室的资助。
文章信息：
Yizhao Qing, Bing Han, Runnan Yu, Zhuoxu Liu, Peijin Ma, Zongzhi Yang, Haoyu Yuan, Changxiao Li, Shihao Sha, Qirui Hou, Xuejiao Zhou, Biao Zhao*, Zhan’ao Tan*, Thermodynamically guided kilogram-scale precipitation of copper iodide clusters for efficient solution-processed light-emitting diodes. Science Advances. 2026, 12(20): eaef2453.
原文链接：https://doi.org/10.1126/sciadv.aef2453
