中国科学院研发出全球领先的钙钛矿发光二极管

来源: 澎湃新闻




不同钙钛矿材料和钙钛矿发光二极管在紫外灯下的明亮荧光（右下）。

发光效率达29.5%，运行寿命提升近30倍！

中国科学院宁波材料技术与工程研究所研发出了具有全球领先性能的钙钛矿发光二极管。相关论文2月5日在线发表于《自然·光子学》(Nature Photonics)。

研究人员认为，这项研究结果为钙钛矿材料在发光显示领域的应用铺平了道路，将极大加快钙钛矿发光显示器件走入千家万户的进程。

高色彩纯度的未来

钙钛矿材料被认为是目前最具前途的半导体光电材料之一，制备成本低，光电性能优异,通电时可以发光，光照时可以发电。

与目前显示分辨率可达到4K或“视网膜”分辨率的OLED（有机发光二极管）技术相比，钙钛矿发光二极管的色彩纯度更高，可提升至少1倍。

2月6日上午，上述论文第一作者、博士研究生丁硕告诉澎湃科技，“（这一发现的）经济效益还是比较显著的，发光显示产业每年也是万亿元级别的市场。其应用方式主要是把钙钛矿材料做成电子元器件，比如钙钛矿发光二极管；然后集成成照明显示组件，比如灯具、显示屏，甚至是激光器等组件。”

对于高清显示，丁硕解释说，以前的液晶显示的材料本身不发光，靠背光透过来呈现颜色和对比，而OLED和钙钛矿LED都是材料本身发光，不需要背光，所以能实现高清显示。

丁硕表示，发光二极管的色彩纯度是指其发光的波长分布，比如纯红光对应的波长是630nm（纳米），但由于半导体本身电子结构的限制，会产生一定范围的光，这个范围越小，色彩越纯。钙钛矿能实现620nm到640nm的光，半高宽只有20nm，看起来颜色更纯。

创新方法，延长钙钛矿发光二极管寿命

1839年，柏林大学矿物学家古斯塔夫斯·罗斯（Gustavus Rose）在欧亚两洲的分界线乌拉尔山脉发现天然的钙钛矿——由无机物钛酸钙组成的矿物。

丁硕表示，最新发表论文中材料的主要成分是甲脒铅溴，虽然它完全由人工合成，且其化学成分与钛酸钙完全不同，但是它们的晶体结构一模一样。人们也习惯把后者叫做钙钛矿。

此前，人们虽然认识到了钙钛矿发光二极管的发光特性，但其运行稳定性很低，且对根本原因认识不足，阻碍了其性能提升和商业化应用进程。

丁硕介绍，钙钛矿发光二极管运行寿命此前都在20小时以下，仅在2022年和2023年有研究分别到达了约3000和20000多小时，相关论文都发表在《自然》上。而其他发光二极管，比如家用照明的无机的二极管，寿命长达几十年；有机发光二极管的寿命，比如常用于手机显示屏的，可以做到10年以上。

中国科学院宁波材料所先进纳米光电材料与器件团队向超宇研究员和钱磊研究员是前述论文的通讯作者。他们带领的研究团队创造性地开发出了“溶剂筛”方法，解决了钙钛矿材料的本征稳定性问题。

研究团队对具有代表性的准二维钙钛矿材料内部的精细纳米结构进行了深入分析，找出内部较薄的纳米片（只有一或二层铅离子）是诱发钙钛矿不稳定的关键来源。这些较薄的纳米片是由快速不可控的结晶过程形成的，本身结晶质量差，缺陷较多，容易发生分解，并且它们的分解会进一步诱发钙钛矿薄膜整体的分解，极大地降低了钙钛矿材料的稳定性。

研究团队利用较薄纳米片比起其他组分更容易溶于极性溶剂的特性，通过精准调控其中极性溶剂所占的比例来调整筛分的强度大小，就可以实现刚好只溶解掉具有一或二层铅离子的薄纳米片，而不伤害钙钛矿材料中的其他结构的效果，拓展了人们对钙钛矿精细纳米结构进行操控的工具箱，为开发具有独特纳米结构和性能的钙钛矿材料奠定了基础。

通过“溶剂筛”方法，去除掉薄纳米片后，钙钛矿材料不仅可以在湿润空气中保持发光性能超过100天，制备的钙钛矿发光二极管更是展现出在10坎德拉每平方米亮度下超过5万小时（5.7年）的运行寿命，较处理之前提升近30倍，是目前所有绿光钙钛矿发光二极管的最高值，达到了实现商业化应用的要求。同时，钙钛矿发光二极管的发光效率也达到了29.5%，也是目前无光提取设计的钙钛矿发光二极管效率的纪录，显著提高了电转化为光的效率，简化了散热设计的需求。

论文链接：https://doi.org/10.1038/s41566-023-01372-0