2020-08-16 08:53 來源：澎湃新聞·澎湃號·湃客
原創 長光所Light中心 中國光學
金屬滷化物鈣鈦礦材料憑藉其成本低、色彩飽和度高、螢光量子產率高、發光波長可調和易溶液加工等優點，在下一代平板顯示和固體照明領域極具應用潛力。得益於鈣鈦礦材料設計、器件結構優化和發光機理的深刻認識，自2014年首次觀察到室溫下的鈣鈦礦電致發光現象以來，綠光、紅光和近紅外光鈣鈦礦電致發光二極體（PeLED）的外量子效率（EQE）目前均已突破20 %。然而，作為三基色之一的藍光PeLED卻發展較為緩慢，嚴重製約了全彩色PeLED的發展。
近日，來自北京化工大學的譚佔鰲教授和華北電力大學的王志斌博士（現已入職福建師範大學）在《發光學報》雜誌發表了題為「藍光鈣鈦礦發光二極體：從材料製備到器件優化」的綜述文章。該綜述總結了近年來藍光鈣鈦礦材料製備和器件結構優化的研究進展，並對藍光PeLED未來發展方向和所面臨的問題進行了展望，以期促進藍光PeLED相關研究。
01
引言
自2014年首次在室溫條件下觀察到鈣鈦礦的電致發光現象以來，短短6年間，綠光、紅光和近紅外光PeLED外量子效率均已突破20 %，可以與當前的有機發光二極體和量子點發光二極體相媲美。然而，在PeLED中，作為三基色之一的藍光器件卻一直存在著亮度低、效率低、光譜穩定性差、壽命短等問題。因此如何獲得高性能的藍光PeLED成為了實現鈣鈦礦全色顯示的關鍵。
02
藍光鈣鈦礦材料製備與器件結構優化
圖1 近年來藍光PeLEDs的效率分布圖。
圖1為近幾年報導的藍光PeLED器件效率統計圖。按照藍光鈣鈦礦發光層的種類，將其分為三維（3D）PeLED、準二維（quasi-2D）PeLED和量子點（QDs）PeLED。根據發光波長的不同又可以將其分為天藍光（>480 nm）、正藍光（460-480 nm）和深藍光（<460 nm）。三維藍光鈣鈦礦材料由於很難獲得高量子產率發光薄膜，且存在較為嚴重的相分離情況，導致三維藍光PeLED的報導較少。研究早期，性能較好的藍光鈣鈦礦主要以鈣鈦礦量子點為主。通過配體工程將鈣鈦礦材料製備成量子點之後，量子產率有了很大的提升。雖然長鏈的有機配體（油胺、油酸）可以鈍化鈣鈦礦量子點，提高發光效率，但是這些絕緣的配體會降低薄膜的導電性，從而降低PeLED器件的亮度和效率。隨著準二維鈣鈦礦的出現，可以通過溶液法直接製備出高量子產率的鈣鈦礦發光層，從而推動了藍光PeLED器件的發展。可以看出，最近兩年藍光PeLED的報導顯著增加，而且主要以準二維鈣鈦礦為主。相比於量子點PeLED，準二維PeLED的亮度和效率普遍較高，這是因為準二維鈣鈦礦有效平衡了高電荷傳輸性能和高量子產率兩個關鍵因素。遺憾的是，目前報導的準二維藍光PeLED的發光光譜普遍處於較長波區域（>480 nm），無法滿足純藍光顯示的要求。針對不同類型的藍光PeLED，需要根據不同材料的特點對發光層和器件結構進行進一步優化，才能夠有效提高藍光PeLED器件的性能。
03
展望
（1）三維藍光PeLED器件
三維藍光鈣鈦礦材料不需要使用長鏈有機配體，電荷傳輸性能好，能夠製備出高亮度的PeLED器件。然而，由於沒有引入有機配體對鈣鈦礦的結晶維度和表面缺陷進行調控，使得鈣鈦礦發光層的激子束縛能較小、表面缺陷較多，導致量子產率普遍較低。針對三維藍光鈣鈦礦發光效率較低的問題，可以通過引入適當的添加劑對缺陷進行鈍化，從而有望大幅度提高其器件性能。
（2）量子點藍光PeLED器件
鈣鈦礦量子點的優點是量子點溶液的量子產率已經可以接近100%，並且量子點的結構具有更高的相均一性和穩定性。然而，絕緣的長鏈配體會嚴重降低發光層的電荷傳輸性能，進而導致量子點PeLED亮度和效率的降低。此外，量子點材料在固體薄膜狀態下量子產率的下降還有界面激子淬滅等問題也制約著其器件性能的進一步提高。未來的藍光鈣鈦礦量子點應該針對其在電致發光器件方面的應用，設計導電性能較好的有機配體，並且調控鈣鈦礦量子點的成膜性和維持高的固態螢光量子產率。此外，也可通過適當的溶劑清洗工藝，去除表面多餘的配體和缺陷態來有效提高器件的性能。
（3）準二維藍光PeLED器件
準二維藍光鈣鈦礦的性質介於三維鈣鈦礦和量子點鈣鈦礦之間。準二維鈣鈦礦中混合相的分布情況會影響薄膜發光效率、電荷傳輸和相穩定性。通過改變長鏈陽離子的種類、引入二元、三元配體或者雙胺配體等，可以調控準二維鈣鈦礦的相分布，提高有機層與無機層之間的作用力，從而獲得高量子產率、高穩定性且傳輸性能良好的鈣鈦礦發光層。此外，還可以通過添加劑、金屬離子摻雜等策略鈍化鈣鈦礦中的缺陷，提高晶格結構的穩定性。
（4）非鉛藍光PeLED器件
開發無毒或者低毒的非鉛藍光鈣鈦礦對於鈣鈦礦材料的大規模商業應用具有十分重大的意義。提高藍光非鉛鈣鈦礦材料的發光效率、穩定性、色純度和傳輸性能是製備高性能非鉛PeLED的前提條件。目前報導的非鉛鈣鈦礦種類眾多，基於非鉛的藍光PeLED需要研究者們對不同體系非鉛鈣鈦礦進行更為深入的探索。
作者介紹（通訊作者）
譚佔鰲，教授，博士研究生導師。主要研究方向為有機光電材料與器件，包括聚合物/鈣鈦礦太陽電池和量子點/鈣鈦礦電致發光二極體。入選北京市「科技新星」計劃和教育部「新世紀優秀人才」支持計劃。近年來在Nature Photonics, Nature Communication, Advanced Materials, Journal of the American Chemical Society等國際期刊上發表SCI論文160餘篇，被引用7600餘次。
歡迎課題組投遞成果宣傳稿
轉載/合作/課題組投稿，請加微信：447882024
Banner 區域
往期推薦
走進新刊
開 放 投 稿：Light:Advanced Manufacturing
ISSN 2689-9620
期 刊 網 站：www.light-am.com
敬請期待
新 刊：eLight
ISSN 2662-8643
即 將 隆 重 上 線
這是中國光學發布的第1389篇，如果你覺得有幫助，轉發朋友圈是對我們最大的認可
【長春光機所·Light學術出版中心-期刊導航】
原標題：《發光學報 | 藍光鈣鈦礦發光二極體：從材料製備到器件優化》
閱讀原文
關鍵詞 >> 二極體
特別聲明
本文為澎湃號作者或機構在澎湃新聞上傳並發布，僅代表該作者或機構觀點，不代表澎湃新聞的觀點或立場，澎湃新聞僅提供信息發布平臺。申請澎湃號請用電腦訪問http://renzheng.thepaper.cn。