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浙江大學(xué)材料學(xué)院葉志鎮(zhèn)院士團(tuán)隊(duì)在鈣鈦礦LED領(lǐng)域連獲重大突破
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時(shí)間：2024-08-12 19:41:00
近日，浙江大學(xué)材料學(xué)院葉志鎮(zhèn)院士團(tuán)隊(duì)在鈣鈦礦發(fā)光二極管（LED）研究方面捷報(bào)頻傳。
在藍(lán)光 LED 效率提升方面，團(tuán)隊(duì)成功攻克了鈣鈦礦氯缺陷控制這一科學(xué)難題，創(chuàng)造了當(dāng)前 460 - 480 nm 顯示用藍(lán)光 LED 效率的全球新紀(jì)錄。其研究成果《Highly efficient blue light-emitting diodes based on mixed-halide perovskites with reduced chlorine defects》于 7 月 18 日在國(guó)際著名期刊《Science Advances》上發(fā)表。浙江大學(xué)作為該論文的第一單位，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。
與此同時(shí)，團(tuán)隊(duì)在紅光 LED 亮度和穩(wěn)定性上也再次實(shí)現(xiàn)突破。他們成功解決了鈣鈦礦量子點(diǎn)導(dǎo)電與導(dǎo)熱差的難題，達(dá)成了 40 萬(wàn)尼特的最高亮度紀(jì)錄。相關(guān)研究成果《Thermal management towards ultra-bright and stable perovskite nanocrystal-based pure red light-emitting diodes》于 8 月 3 日在國(guó)際著名期刊《Nature Communications》上刊出。浙江大學(xué)同樣為該論文的第一單位，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。今年以來(lái)，該團(tuán)隊(duì)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)展并非一帆風(fēng)順，“波長(zhǎng)越藍(lán)，提升越難”。特別是對(duì)于深藍(lán)和純藍(lán)波段的 LED 器件，常規(guī)的鈍化手段對(duì)效率提升效果甚微。造成器件性能不佳的主要原因在于：一是鹵素原子最外層 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，加大了空穴注入的勢(shì)壘；二是氯的引入帶來(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?；诖?，團(tuán)隊(duì)深入探究制約藍(lán)光器件效率的關(guān)鍵因素，以尋求突破效率瓶頸的方法。
研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)不同時(shí)間尺度下的光譜觀測(cè)，明晰了氯含量與氯缺陷及材料光學(xué)性能之間的變化關(guān)聯(lián)，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，并提出降低氯含量以抑制氯缺陷這一提升藍(lán)光 LED 器件性能的關(guān)鍵思路。采用 A 位銣補(bǔ)償策略，在保證 CsPbBrxCl3-x 納米晶發(fā)光波長(zhǎng)不變的情況下，有效降低了氯含量，顯著抑制了缺陷，提升了納米晶的光學(xué)性能。基于含銣納米晶制備的鈣鈦礦藍(lán)光 LED 器件在顯示所需波段下均實(shí)現(xiàn)了更高的器件效率，其中 480nm 的器件效率高達(dá) 26.4%，成為迄今鈣鈦礦藍(lán)光 LED 器件中的最高效率。
在純紅光鈣鈦礦發(fā)光二極管領(lǐng)域，外量子效率已接近極限，但高性能的紅光 LED 仍面臨諸多挑戰(zhàn)，如低飽和亮度、嚴(yán)重的 EQE 衰減以及較差的工作穩(wěn)定性等。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的需求。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，被視為影響 LED 性能的關(guān)鍵因素之一。熱量積聚不僅會(huì)增加熱激活陷阱態(tài)并加速離子相關(guān)過(guò)程，還會(huì)導(dǎo)致鈣鈦礦發(fā)光層的熱降解或分解。器件中溫度的升高還可能進(jìn)一步破壞電荷注入平衡，并影響載流子的復(fù)合速率。至今，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)定性仍困難重重。
研究團(tuán)隊(duì)另辟蹊徑，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，提升了納米晶薄膜的光學(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)，成功實(shí)現(xiàn)了近 40 萬(wàn)尼特的超高亮度 LED，比已報(bào)道的器件亮度高出兩個(gè)數(shù)量級(jí)。并且，在高電流密度（15 A cm−2）范圍內(nèi)保持了出色的光譜穩(wěn)定性，達(dá)到了與無(wú)機(jī) LED 相近的水平。該項(xiàng)研究突顯了熱管理策略在推進(jìn)高性能鈣鈦礦 LED 中的重要性，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利于器件內(nèi)的有效熱管理，最終助力實(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，為高功率鈣鈦礦基器件的發(fā)展筑牢了根基。
前言：鈣鈦礦發(fā)光二極管作為新興的研究領(lǐng)域，一直備受科學(xué)界關(guān)注。浙江大學(xué)材料學(xué)院葉志鎮(zhèn)院士團(tuán)隊(duì)在該領(lǐng)域的深入探索和卓越成果，為這一領(lǐng)域的發(fā)展注入了強(qiáng)大動(dòng)力。
結(jié)尾：上述一系列突破性工作得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、中央高?；緲I(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的共同資助和支持。相信在未來(lái)，葉志鎮(zhèn)院士團(tuán)隊(duì)將在鈣鈦礦 LED 領(lǐng)域繼續(xù)勇攀高峰，為科技創(chuàng)新貢獻(xiàn)更多力量。
在藍(lán)光 LED 效率提升方面，團(tuán)隊(duì)成功攻克了鈣鈦礦氯缺陷控制這一科學(xué)難題，創(chuàng)造了當(dāng)前 460 - 480 nm 顯示用藍(lán)光 LED 效率的全球新紀(jì)錄。其研究成果《Highly efficient blue light-emitting diodes based on mixed-halide perovskites with reduced chlorine defects》于 7 月 18 日在國(guó)際著名期刊《Science Advances》上發(fā)表。浙江大學(xué)作為該論文的第一單位，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。
與此同時(shí)，團(tuán)隊(duì)在紅光 LED 亮度和穩(wěn)定性上也再次實(shí)現(xiàn)突破。他們成功解決了鈣鈦礦量子點(diǎn)導(dǎo)電與導(dǎo)熱差的難題，達(dá)成了 40 萬(wàn)尼特的最高亮度紀(jì)錄。相關(guān)研究成果《Thermal management towards ultra-bright and stable perovskite nanocrystal-based pure red light-emitting diodes》于 8 月 3 日在國(guó)際著名期刊《Nature Communications》上刊出。浙江大學(xué)同樣為該論文的第一單位，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。今年以來(lái)，該團(tuán)隊(duì)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)展并非一帆風(fēng)順，“波長(zhǎng)越藍(lán)，提升越難”。特別是對(duì)于深藍(lán)和純藍(lán)波段的 LED 器件，常規(guī)的鈍化手段對(duì)效率提升效果甚微。造成器件性能不佳的主要原因在于：一是鹵素原子最外層 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，加大了空穴注入的勢(shì)壘；二是氯的引入帶來(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?；诖?，團(tuán)隊(duì)深入探究制約藍(lán)光器件效率的關(guān)鍵因素，以尋求突破效率瓶頸的方法。
研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)不同時(shí)間尺度下的光譜觀測(cè)，明晰了氯含量與氯缺陷及材料光學(xué)性能之間的變化關(guān)聯(lián)，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，并提出降低氯含量以抑制氯缺陷這一提升藍(lán)光 LED 器件性能的關(guān)鍵思路。采用 A 位銣補(bǔ)償策略，在保證 CsPbBrxCl3-x 納米晶發(fā)光波長(zhǎng)不變的情況下，有效降低了氯含量，顯著抑制了缺陷，提升了納米晶的光學(xué)性能。基于含銣納米晶制備的鈣鈦礦藍(lán)光 LED 器件在顯示所需波段下均實(shí)現(xiàn)了更高的器件效率，其中 480nm 的器件效率高達(dá) 26.4%，成為迄今鈣鈦礦藍(lán)光 LED 器件中的最高效率。
在純紅光鈣鈦礦發(fā)光二極管領(lǐng)域，外量子效率已接近極限，但高性能的紅光 LED 仍面臨諸多挑戰(zhàn)，如低飽和亮度、嚴(yán)重的 EQE 衰減以及較差的工作穩(wěn)定性等。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的需求。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，被視為影響 LED 性能的關(guān)鍵因素之一。熱量積聚不僅會(huì)增加熱激活陷阱態(tài)并加速離子相關(guān)過(guò)程，還會(huì)導(dǎo)致鈣鈦礦發(fā)光層的熱降解或分解。器件中溫度的升高還可能進(jìn)一步破壞電荷注入平衡，并影響載流子的復(fù)合速率。至今，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)定性仍困難重重。
研究團(tuán)隊(duì)另辟蹊徑，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，提升了納米晶薄膜的光學(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)，成功實(shí)現(xiàn)了近 40 萬(wàn)尼特的超高亮度 LED，比已報(bào)道的器件亮度高出兩個(gè)數(shù)量級(jí)。并且，在高電流密度（15 A cm−2）范圍內(nèi)保持了出色的光譜穩(wěn)定性，達(dá)到了與無(wú)機(jī) LED 相近的水平。該項(xiàng)研究突顯了熱管理策略在推進(jìn)高性能鈣鈦礦 LED 中的重要性，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利于器件內(nèi)的有效熱管理，最終助力實(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，為高功率鈣鈦礦基器件的發(fā)展筑牢了根基。
前言：鈣鈦礦發(fā)光二極管作為新興的研究領(lǐng)域，一直備受科學(xué)界關(guān)注。浙江大學(xué)材料學(xué)院葉志鎮(zhèn)院士團(tuán)隊(duì)在該領(lǐng)域的深入探索和卓越成果，為這一領(lǐng)域的發(fā)展注入了強(qiáng)大動(dòng)力。
結(jié)尾：上述一系列突破性工作得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、中央高?；緲I(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的共同資助和支持。相信在未來(lái)，葉志鎮(zhèn)院士團(tuán)隊(duì)將在鈣鈦礦 LED 領(lǐng)域繼續(xù)勇攀高峰，為科技創(chuàng)新貢獻(xiàn)更多力量。
