研究揭示準二維鈣鈦礦的激子行為

2020-11-25 騰訊網

中國科學院長春應用化學研究所研究員秦川江和日本九州大學教授安達千波矢領導的國際研究團隊揭示了導致一類準二維鈣鈦礦發光效率低的機理，進而提出了解決方案，開發出基於該類材料的高效率綠光發光二極體。相關成果11月12日在線發表於《自然-光子學》(Nature Photonics(2019)）。

有機無機雜化鈣鈦礦因成本低、容易加工以及光電特性優異，受到了光電子研究領域的廣泛關注，基於該類材料的發光二極體也極具潛力成為下一代照明和顯示元件。其中，三維鈣鈦礦是由有機和無機組分在三維空間交替結合而成，二維鈣鈦礦是由兩種組分交替形成的片層結構，而準二維鈣鈦礦則是兩類鈣鈦礦的混合結構，即由大尺寸有機殼層包裹著不同尺寸的三維鈣鈦礦。由於準二維鈣鈦礦存在天然形成的量子阱結構，與傳統的三維鈣鈦礦相比具有更大的激子結合能，從而更有利於發光。儘管一些準二維鈣鈦礦發光二極體已達到較高電光轉換效率，但當採用不同有機組分時，一些綠光器件的效率很低的原因仍然未知。在該研究工作中，研究者通過國際合作獲得的大量相關實驗數據對該問題做出了回答。論文第一作者兼共同通訊聯繫人秦川江說：「目前多數研究者認為這類鈣鈦礦表現出更多傳統無機半導體的特性，然而我們證明了準二維鈣鈦礦具有很多有機半導體的屬性，因此需要考慮到具有不同能量的激子行為。」

與典型的無機半導體不同，有機半導體在電致發光過程中首先形成激子態而後弛豫發光。由於電子的自旋特性，將會形成單線態和三線態兩種不同性質的激子。儘管調控單線態和三線態激子是設計和開發高效有機發光二極體的基礎，但在鈣鈦礦發光二極體的研究中卻仍未被考慮。在該研究中，研究者比較了兩類具有相似晶體性質，但含有不同有機組分的鈣鈦礦發光材料，發現其中一類鈣鈦礦材料中的三線態激子消失了。通過分析，這類鈣鈦礦中採用了具有低三線態能級的有機組分，其發光性能差的原因應是三線態激子轉移至能量較低的有機部分，造成非輻射能量損失。而當採用具有高三線態能級的有機組分時，三線態激子會保留在鈣鈦礦發光主體中，從而獲得高的發光效率。此外，研究者進一步發現在特定的準二維鈣鈦礦中，暗態三線態激子也能夠上轉換為輻射發光的單線態激子，使得在準二維鈣鈦礦器件中實現全部激子利用成為可能。

基於上述發現，研究團隊通過選擇合適的有機組分，製備了能夠高效俘獲三線態激子的準二維鈣鈦礦發光二極體，獲得了12.4%的電光轉換效率。「我們不僅解釋了之前觀察到的實驗現象，一些新發現也為開發高效鈣鈦礦光電器件，如發光二極體、雷射和太陽能電池等提供了指引。」領導該研究的安達千波矢說。

以上研究工作得到長春應化所海外引進人才啟動經費的支持。

左圖：紫外燈照射下強烈發光的鈣鈦礦薄膜；右圖：外加偏壓測試中發光的鈣鈦礦器件

來源：中國科學院長春應用化學研究所

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