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)院士團隊在藍光LED效率提升方面取得重要進展，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顯示用藍光LED效率的國際紀錄。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導(dǎo)電與導(dǎo)熱差的難題，實現(xiàn)了40萬尼特的最 高亮度紀錄。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。

    鈣鈦礦混合鹵素藍光器件效率的發(fā)展情況可概括為“波長越藍，提升越難”，尤其是對于深藍和純藍波段的LED器件，僅采用常用的鈍化手段對效率提升并不顯著。器件性能不佳的主要原因有以下兩點：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)，氯的引入加深了價帶頂，增加了空穴注入的勢壘；其二，氯引入帶來氯空位，形成深能級缺陷，增加了非輻射復(fù)合通道，降低了光學(xué)性能。因此在上述對鈣鈦礦中引入氯的兩點認識基礎(chǔ)之上，有必要進一步探究制約藍光器件效率的關(guān)鍵因素，以期突破效率瓶頸。

    研究團隊以不同時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)率呈負相關(guān)的定性關(guān)系，并提出一條提升藍光LED器件性能的關(guān)鍵思路，即降低氯含量來抑制氯缺陷。通過A位銣補償策略，在保證CsPbBrxCl3-x納米晶發(fā)光波長沒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。團隊基于含銣納米晶制備的鈣鈦礦藍光LED器件在顯示需要的波段下均實現(xiàn)了更高的器件效率，特別是480nm的器件效率達到了26.4%，是截止目前鈣鈦礦藍光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為是影響LED性能的關(guān)鍵因素之一。這是因為熱量積聚會增加熱激活陷阱態(tài)并加速離子相關(guān)過程，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中同時實現(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)。

    研究團隊開發(fā)了控制納米晶薄膜發(fā)光層的焦耳熱生成和增強器件散熱的協(xié)同策略。通過磷酸二苯酯對納米晶進行表面調(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)熱率的藍寶石襯底以及脈沖模式驅(qū)動，實現(xiàn)了近40萬尼特的超高亮度LED，比報道的器件高出兩個數(shù)量級，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，達到與無機LED相近的結(jié)果。該項研究強調(diào)了熱管理策略在推進高性能鈣鈦礦LED中的重要性，研究結(jié)果表明，增強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，最終實現(xiàn)高性能器件。超高電流密度下鈣鈦礦量子點器件所展現(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)。

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