中國科大突破藍光鈣鈦礦發(fā)光二極管性能瓶頸

近日，中國科學技術大學崔林松教授課題組與英國劍橋大學Samuel D. Stranks教授團隊合作，開發(fā)出一種提升藍光鈣鈦礦發(fā)光二極管（LED）性能的新策略，成功突破藍光鈣鈦礦LED的性能瓶頸，解決了該領域重要難題。相關研究成果以《Efficient blue electroluminescence from reduced-dimensional perovskites》為題，于2024年1月26日在線發(fā)表在期刊《Nature Photonics》上。

鈣鈦礦LED因其優(yōu)越的發(fā)光性能和低成本等優(yōu)勢，成為極具潛力的新一代發(fā)光與顯示技術。近年來，綠光、紅光和近紅外鈣鈦礦LED取得了顯著進展，其外量子效率（EQE）均超過20%，可與有機LED和量子點LED相媲美。然而，目前藍光鈣鈦礦LED的發(fā)展相對滯后，其性能遠落后于其他光色的鈣鈦礦LED，因此高性能藍光鈣鈦礦LED的實現(xiàn)是該領域現(xiàn)階段的瓶頸。

針對以上問題，研究團隊設計開發(fā)了一種具有共振電子態(tài)的多功能有機離子穩(wěn)定劑雙(三苯基正膦基)氯化銨（PPNCl），實現(xiàn)了對鈣鈦礦相組成和分布的精準調控，抑制了鈣鈦礦中的非輻射復合通道和離子遷移現(xiàn)象，從而大幅提升了藍光鈣鈦礦LED的效率和穩(wěn)定性（見圖一）。

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1.藍光鈣鈦礦LED器件結構與性能

PPNCl通過氫鍵與鈣鈦礦中的組分相互作用，影響鈣鈦礦的結晶生長過程，有效抑制了藍光鈣鈦礦體系中低維相的形成，并有利于轉變?yōu)楦甙l(fā)光效率的高維相（見圖二）。通過瞬態(tài)吸收光譜進一步研究薄膜樣品的激發(fā)態(tài)動力學，結果表明PPNCl可以有效地加速低維相向高維相的能量轉移過程，抑制低維相中不完全的能量轉移和非輻射復合帶來的能量損失（見圖三）。

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2.PPNCl對鈣鈦礦薄膜相分布的影響

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3.藍光鈣鈦礦薄膜瞬態(tài)吸收表征

另一方面，PPNCl分子通過與鈣鈦礦中的組分形成配位作用和靜電作用，成功實現(xiàn)了對鈣鈦礦薄膜中缺陷的鈍化，并有效抑制了鈣鈦礦薄膜中鹵素離子遷移的現(xiàn)象，顯著提升鈣鈦礦薄膜的發(fā)光效率和光譜穩(wěn)定性（見圖四）。

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4.PPNCl對藍光鈣鈦礦薄膜的調控

得益于PPNCl對鈣鈦礦相分布、缺陷態(tài)和離子遷移的有效調控，成功實現(xiàn)了高效穩(wěn)定的藍光鈣鈦礦LED。器件峰值外部量子效率（EQE）高達21.4%（發(fā)射波長483 nm），是目前效率最高的藍光鈣鈦礦LED。與此同時，器件的穩(wěn)定性也實現(xiàn)近30倍的提升。這一創(chuàng)新成果為藍光鈣鈦礦LED性能的進一步提升開辟了新的道路，標志著在鈣鈦礦LED技術領域取得了引人矚目的進展。

該工作得到了國家自然科學基金、中國科學技術大學“雙一流”專項基金、中國科學技術大學微納研究與制造中心以及中國科學技術大學超級計算中心等支持。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41566-024-01382-6