浙大最新成果：鈣鈦礦紅光LED發(fā)光破記錄

    近日，浙江大學(xué)材料學(xué)院葉志鎮(zhèn)院士團(tuán)隊(duì)在藍(lán)光LED效率提升方面取得重要進(jìn)展，解決了鈣鈦礦氯缺陷控制科學(xué)難題，創(chuàng)造了目前460-480 nm顯示用藍(lán)光LED效率的國(guó)際紀(jì)錄。研究成果以“Highly efficient blue light-emitting diodes based on mixed-halide perovskites with reduced chlorine defects”為題，7月18日發(fā)表在國(guó)際著 名期刊Science Advances上。浙江大學(xué)為該論文第 一單位，高贇博士與蔡秋婷博士研究生為共同第 一作者，葉志鎮(zhèn)院士、戴興良研究員、狄大衛(wèi)教授為共同通訊作者。

    同時(shí)在紅光LED亮度和穩(wěn)定性上再次突破，解決了鈣鈦礦量子點(diǎn)導(dǎo)電與導(dǎo)熱差的難題，實(shí)現(xiàn)了40萬(wàn)尼特的最 高亮度紀(jì)錄。研究成果以“Thermal management towards ultra-bright and stable perovskite nanocrystal-based pure red light-emitting diodes” 為題，8月3日發(fā)表在國(guó)際著 名期刊Nature Communications上。浙江大學(xué)為該論文第 一單位，李紅金博士與朱曉芳博士研究生為共同第 一作者，葉志鎮(zhèn)院士、戴興良研究員為共同通訊作者。今年已連續(xù)發(fā)表5篇高水平論文。

    鈣鈦礦混合鹵素藍(lán)光器件效率的發(fā)展情況可概括為“波長(zhǎng)越藍(lán)，提升越難”，尤其是對(duì)于深藍(lán)和純藍(lán)波段的LED器件，僅采用常用的鈍化手段對(duì)效率提升并不顯著。器件性能不佳的主要原因有以下兩點(diǎn)：其一，鹵素原子最外層p軌道參與構(gòu)成鈣鈦礦能帶結(jié)構(gòu)，氯的引入加深了價(jià)帶頂，增加了空穴注入的勢(shì)壘；其二，氯引入帶來(lái)氯空位，形成深能級(jí)缺陷，增加了非輻射復(fù)合通道，降低了光學(xué)性能。因此在上述對(duì)鈣鈦礦中引入氯的兩點(diǎn)認(rèn)識(shí)基礎(chǔ)之上，有必要進(jìn)一步探究制約藍(lán)光器件效率的關(guān)鍵因素，以期突破效率瓶頸。

    研究團(tuán)隊(duì)以不同時(shí)間尺度下的光譜觀察了氯含量與氯缺陷及材料光學(xué)性能之間的變化與聯(lián)系，得出氯含量與納米晶薄膜中缺陷及熒光量子產(chǎn)率呈負(fù)相關(guān)的定性關(guān)系，并提出一條提升藍(lán)光LED器件性能的關(guān)鍵思路，即降低氯含量來(lái)抑制氯缺陷。通過(guò)A位銣補(bǔ)償策略，在保證CsPbBrxCl3-x納米晶發(fā)光波長(zhǎng)沒(méi)有偏移的情況下有效降低了氯含量，明顯抑制了缺陷，提升納米晶光學(xué)性能。團(tuán)隊(duì)基于含銣納米晶制備的鈣鈦礦藍(lán)光LED器件在顯示需要的波段下均實(shí)現(xiàn)了更高的器件效率，特別是480nm的器件效率達(dá)到了26.4%，是截止目前鈣鈦礦藍(lán)光LED器件中的最 高效率。

    純紅光鈣鈦礦發(fā)光二極管的外量子效率效率已經(jīng)接近極限，但高性能的紅光LED仍存在一些挑戰(zhàn)，包括低飽和亮度、嚴(yán)重的EQE衰減和較差的工作穩(wěn)定性等。大多數(shù)純紅LED的最大亮度僅為幾千尼特，難以滿足高亮度顯示需求。其中發(fā)光層的高電阻以及玻璃襯底的低導(dǎo)熱率導(dǎo)致的焦耳熱耗散不足被認(rèn)為是影響LED性能的關(guān)鍵因素之一。這是因?yàn)闊崃糠e聚會(huì)增加熱激活陷阱態(tài)并加速離子相關(guān)過(guò)程，導(dǎo)致鈣鈦礦發(fā)光層的熱降解或分解。器件中升高的溫度還可能進(jìn)一步破壞電荷注入平衡并影響LEDs中的載流子復(fù)合速率。迄今為止，在純紅光LED中同時(shí)實(shí)現(xiàn)高效率、高亮度、改善的EQE滾降和光譜穩(wěn)定性仍面臨巨大的挑戰(zhàn)。

    研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了控制納米晶薄膜發(fā)光層的焦耳熱生成和增強(qiáng)器件散熱的協(xié)同策略。通過(guò)磷酸二苯酯對(duì)納米晶進(jìn)行表面調(diào)控，提升納米晶薄膜的光學(xué)性能和載流子傳輸性能，結(jié)合高導(dǎo)熱率的藍(lán)寶石襯底以及脈沖模式驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了近40萬(wàn)尼特的超高亮度LED，比報(bào)道的器件高出兩個(gè)數(shù)量級(jí)，并在高電流密度(15 A cm−2)范圍內(nèi)保持出色的光譜穩(wěn)定性，達(dá)到與無(wú)機(jī)LED相近的結(jié)果。該項(xiàng)研究強(qiáng)調(diào)了熱管理策略在推進(jìn)高性能鈣鈦礦LED中的重要性，研究結(jié)果表明，增強(qiáng)納米晶的光電特性有助于減少焦耳熱的產(chǎn)生，有效的散熱器集成和充足的散熱有助于器件內(nèi)的有效熱管理，最終實(shí)現(xiàn)高性能器件。超高電流密度下鈣鈦礦量子點(diǎn)器件所展現(xiàn)的超高亮度和穩(wěn)定性給高功率鈣鈦礦基器件的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

    【上述工作得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、中央高�；�本業(yè)務(wù)費(fèi)、浙江省“尖兵”“領(lǐng)雁”項(xiàng)目、浙江大學(xué)溫州研究院科技專項(xiàng)、山西-浙大新材料與化工研究院等共同資助和支持】