Yue 發表於 2021-01-06 11:23:49
目前，電力照明功耗已佔全球功耗的15%，從而導致高效能、低成本的照明技術開發極其重要。而白色發光二極體（WLEDs）恰憑藉其自身高壽命、高效率的優勢一躍成為當前照明和顯示行業的焦點，其製造方式主要是藉助RGB LED陣列或者螢光粉塗層的藍色LED實現，因此導致現有的WLED技術比較依賴於藍色LED的外延晶片（如GaN外延晶片），在一定程度上增加了製造流程的成本。
為了進一步降低WLED的製造成本，南京理工大學的曾海波教授團隊和華盛頓大學的David Ginger教授團隊合作，研究人員基於溶液處理的單層異相滷化物鈣鈦礦設計並製備了一種WLED，該LED不僅不需要螢光粉塗層實現白光發射，而且具備較大的寬帶發射層和極高的峰值亮度，並且隨著該製備方法的繼續研究，其效率和亮度還能進一步得到提高。
滷化物鈣鈦礦由於具有較高的光致發光量子產率(PLQY)、優異的光電性能和低成本的溶液處理等優點，而被眾多科研人員所青睞，試圖將其作為WLED的發光材料。
通過大量的研究和優化，目前鈣鈦礦型綠色LED和紅色LED的外部量子效率（EQE）已經超過了20%，但在藍色LED的開發中卻一直未有所突破，從而阻礙了鈣鈦礦型WLED的實現。
此外，鈣鈦礦材料具有很強的載流子-聲子和激子-聲子耦合，其中載流子和激子在晶格畸變中「自陷「效應，導致在整個可見光光譜範圍都具有良好的寬帶發射效應，因此也可以將其直接應用於WLED的發光材料中。
雖然目前鈣鈦礦材料中自陷態激子的白色光致發光(PL)的發展很快，但由於該材料的電荷傳輸特性較差，在一定程度上降低了其白色電致發光(EL)的效率，也使得鈣鈦礦型WLED的實現遭遇了瓶頸。
為了解決這一問題，曾海波等人將同時具有α相和δ相碘化銫鉛（α-CsPbI3和δ-CsPbI3）材料作為鈣鈦礦型WLED有效注入和複合載流子的發射層，如圖1（a）所示。這種混合相材料可以將α-CsPbI3的高電荷傳輸特性和δ-CsPbI3寬帶白色自陷發射特性相結合，從而彌補鈣鈦礦材料中電荷傳輸特性較差的問題。
圖1 （a）鈣鈦礦型WLED結構示意圖；（b）工作狀態下的WLED實物圖。
圖源：Nature Photonics, 2020: 1-7.Fig1（a）、（b）
在實際工作時，α-CsPbI3負責電荷的注入和傳輸，隨後由δ-CsPbI3負責改進白色EL，並最終在α/δ-異相界面處實現兩相的電荷注入平衡，從而賦予鈣鈦礦型WLED較高的效率和亮度，其亮度可達12,200cd·m−2，EQE可達6.5%，如圖1（b）所示。
此外通過調整退火工藝，如圖2所示，在398K以下α-CsPbI3會向δ-CsPbI3產生緩慢相變，此時可以根據目標α/δ的相位比選擇合適的溫度以停止相變過程，從而對鈣鈦礦型WLED的色溫實現自由調控的特性。
圖2 CsPbI3樣品在加熱/冷卻條件下的相變和α/δ比的變化示意圖
圖源：Nature Photonics, 2020: 1-7.Fig2（a）
這項工作為基於溶液處理的滷化物鈣鈦礦型WLED提供了一種全新的思路和方法，並可通過提高控制α相和δ相域的大小和連通性的方式實現WLED穩定性及其他性能的改善，從而滿足低成本、寬帶發射的商業化WLED要求。
原文標題：異相鈣鈦礦型白光LED
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責任編輯：haq
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