近日,西北工業(yè)大學(xué)黃維院士、南京工業(yè)大學(xué)朱琳副教授和常州大學(xué)王建浦教授團隊在鈣鈦礦發(fā)光二極管(LED)研究領(lǐng)域取得重大突破:利用加快輻射復(fù)合速率,顯著提高熒光量子效率,使鈣鈦礦LED外量子效率突破30%大關(guān),接近產(chǎn)業(yè)化水平。
相關(guān)成果以“Acceleration of radiative recombination for efficient perovskite LEDs”為題發(fā)表在國際頂尖學(xué)術(shù)期刊Nature(《自然》)上。
LED是新型顯示領(lǐng)域的關(guān)鍵核心技術(shù),在高端制造業(yè)中具有重要地位,是新質(zhì)生產(chǎn)力的典型代表。薄膜LED技術(shù)是一類可以把LED器件大面積制備于任意基底(包括柔性)的技術(shù),也是目前主流手機顯示屏制造所普遍采納的先進(jìn)技術(shù)。隨著全球新型顯示產(chǎn)業(yè)與應(yīng)用領(lǐng)域不斷發(fā)展,科技界對更低成本、更高亮度、更優(yōu)光效的高性能薄膜LED研發(fā)愈加深入。
基于鈣鈦礦半導(dǎo)體材料的LED是一類新興的薄膜LED,具有加工工藝簡便、高亮度高效率等特性,近年來在光電器件研究領(lǐng)域備受矚目,成為全球新型發(fā)光與顯示技術(shù)競爭的焦點。
黃維院士和王建浦教授領(lǐng)導(dǎo)的創(chuàng)新團隊是國際上鈣鈦礦LED研究的開拓者與引領(lǐng)者。十年前,他們利用界面調(diào)控構(gòu)建高效率器件,在國際上率先突破了鈣鈦礦LED外量子效率1%的瓶頸。
2016年,他們通過多量子阱鈣鈦礦實現(xiàn)高效發(fā)光,有效抑制非輻射復(fù)合,創(chuàng)下外量子效率突破10%的世界紀(jì)錄。2018年,他們利用溶液法自組裝形成亞微米結(jié)構(gòu),構(gòu)建了易于出光耦合的新型器件,使得外量子效率邁過20%大關(guān),再度刷新里程碑。
團隊研究成果在全球鈣鈦礦LED研究領(lǐng)域中形成重大影響,為海內(nèi)外同行探索高效率鈣鈦礦LED提供了寶貴借鑒,團隊在鈣鈦礦LED領(lǐng)域發(fā)表的高水平研究成果在國際權(quán)威的科技數(shù)據(jù)庫——科睿唯安發(fā)布的“研究前沿”中位列全球首位。
鈣鈦礦發(fā)光材料有三維、低維之分,其中三維鈣鈦礦最有潛力實現(xiàn)高亮度下的高效率發(fā)光,對未來發(fā)光顯示技術(shù)實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化意義重大。然而,三維鈣鈦礦LED外量子效率普遍停留在20%左右,整體性能提升遭遇瓶頸。
“外量子效率由熒光量子效率和光提取效率共同決定,目前,器件光提取效率限制已被突破,熒光量子效率的提升卻未及預(yù)期。熒光量子效率是輻射復(fù)合與非輻射復(fù)合過程競爭的結(jié)果,也就是說,為了提升熒光量子效率,需要抑制非輻射復(fù)合、提升輻射復(fù)合。
以往研究中大多采取缺陷鈍化的方式來抑制非輻射復(fù)合,但即使三維鈣鈦礦薄膜缺陷密度已經(jīng)減少到單晶鈣鈦礦水平,熒光量子效率仍普遍停留在70%左右!蓖踅ㄆ纸淌诮榻B了領(lǐng)域內(nèi)有關(guān)三維鈣鈦礦材料熒光量子效率提升的難題。
為解決這一世界性難題,該團隊另辟蹊徑,創(chuàng)造性地提出了一種通過調(diào)控晶體生長的方法,以生成輻射復(fù)合速率更快的鈣鈦礦晶相,從而顯著提高了熒光量子效率。
同時,團隊巧妙地運用這一創(chuàng)新性方法成功地保持了三維鈣鈦礦的亞微米結(jié)構(gòu),使得器件的光提取效率不受影響,達(dá)到了雙管齊下的效果。該研究由此實現(xiàn)了96%的熒光量子效率和大于30%的光提取效率,并進(jìn)一步制備出外量子效率達(dá)到32%的高效鈣鈦礦LED,再次創(chuàng)造了鈣鈦礦LED發(fā)光效率的世界紀(jì)錄。
“我們同樣發(fā)現(xiàn),器件在高亮度下仍能保持高效率,即使在100毫安每平方厘米的大電流密度下,外量子效率仍能保持在30%!敝炝崭苯淌诮榻B說。
談及鈣鈦礦LED的發(fā)展,黃維院士非常興奮地表示,這一重大突破進(jìn)一步彰顯了基于鈣鈦礦半導(dǎo)體材料的薄膜LED技術(shù)的巨大潛力,必將推動基于鈣鈦礦LED的顯示技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化步伐。
同時,預(yù)示著其在高效綠色照明領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用前景。“此外,這項創(chuàng)新突破也是我們團隊在國家重點研發(fā)計劃、國家基礎(chǔ)科學(xué)中心等科研項目的長期支持下,聯(lián)合國內(nèi)柔性電子領(lǐng)域多家優(yōu)勢單位,包括南京工業(yè)大學(xué)、福建師范大學(xué)(海峽創(chuàng)新實驗室)、復(fù)旦大學(xué)、浙江大學(xué)、中山大學(xué)、常州大學(xué)和澳門大學(xué)等單位共同攻關(guān)取得的,充分體現(xiàn)了學(xué)科交叉、協(xié)同創(chuàng)新的重要作用”黃維院士補充介紹說。(來源:西北工業(yè)大學(xué)) |