利用二维钙钛矿薄膜制造高效能发光二极管

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过去数十年来,高能源效益的发光二极管(LEDs)一直应用于日常生活之中。但为了追求色彩更亮丽、成本更低、质素更佳的新一代发光二极管,科学家们近来开始注意到一种叫做钙钛矿(perovskite)的材料。香港城市大学(香港城大)科学家有份带领的一项最新联合研究,成功发展出一种二维(2D)钙钛矿材料,可用以制作效能最佳的发光二极管。

由家居照明到手机显示屏,从使用内窥镜时需要的微型“点光源”,以至于可在太空照射蔬菜以促成生长的人造光源,发光二极管的应用可谓无处不在。可是现时若要制作高品质发光二极管,必须在高温的环境及使用精密的沉积技术,这令制作成本居高不下。

科学家近来发现“金属卤化物钙钛矿”(即一种与CaTiO3拥有相同结构,但由不同元素所组成的半导体),极具潜力成为新一代的发光二极管材料。这种钙钛矿可在室温环境下,以溶液制成发光二极管,因而大幅降低制作成本。不过,发光二极管内钙钛矿的“电致发光”(electro-luminescence)效能,目前仍有改进空间。

提升亮度新方法

由香港城大材料科学及工程学系Andrey Rogach教授以及与他合作研究的上海大学杨绪勇教授所领导的科研团队,最近成功找到方法,能够令钙钛矿的发光亮度显著增加!

这一科研团队致力于研究2D钙钛矿(又称作Ruddlesden Popper perovskites),并成功研制出高效且光亮的发光二极管,无论从所录得的“电流效率”(current efficiency)以及“外量子效率”(external quantum efficiency)数据来看,都是使用同类钙钛矿物料所制作的发光器件之中表现最佳的。研究团队的研究成果,令使用钙钛矿制作的发光二极管的素质已可媲美现时商业上流行的最新显示技术,例如有机发光二极管。

科研团队上述最新研究成果,已经在科学期刊《Nature Communications》发表,论文题目为“Smoothing the energy transfer pathway in quasi-2D perovskite films using methanesulfonate leads to highly efficient light-emitting devices”. 

科研团队能做到这种有力的改进,关键在于添加了大约10%的一种简单有机分子——甲磺酸盐(methanesulfonate, MeS)。

有机分子的关键

在这个研究之中,科研团队使用的2D钙钛矿,其厚度薄至纳米程度。他们发现,甲磺酸盐成功重构了二维钙钛矿纳米薄膜的结构,加强了不同厚度的钙钛矿薄膜之间的“激子”(exciton)能量转移。上述转变大大增加了较厚的钙钛矿薄膜内2D结构的绿光电致发光效能。

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甲磺酸盐对钙钛矿薄膜的相位分佈(phase distribution)的影响。黄色箭头显示激子在不同厚薄的钙钛矿纳米片之间的能量转移路径。(图片来源: DOI number: 10.1038/s41467-021-21522-8)

 

另一方面,甲磺酸盐亦有助减少二维钙钛矿的结构缺陷的数目。在产生光的过程里,「未配位」(uncoordinated)的Pb2+阳离子会导致激子发生「非辐射复合」(non-radiative recombination)现象,但非辐射复合并不发光,因而会「浪费」激子。MeS便藉着减少未配位Pb2+阳离子的数目,保证到有更多的激子转换为光子。

是次为了研发更佳发光二极管的研究,成果令人鼓舞。根据实验所录得的数据,在施以5.5V低电压的情况下,亮度达到13,400坎德拉每平方米(13,400 candela/m²),外量子效率则有20.5%,这效能已逼近不少现存的二极发光管技术的最高水平,这亦较研究团队两年前研究中所录得的10.5%外量子效率高出接近一倍。

令人鼓舞的发光效果

Andrey Rogach教授说:“我们香港城大团队在相对短的时间内,已积累了钙钛矿物料的专业知识并达到非常高的水平,在此我们要感谢裘槎基金会的‘优秀科研者奖’在研究资金上的支持。我们亦已见到成果,尤其是研究结果已经在最新出版的科学期刊上详细发表。”

Andrey Rogach教授补充:“研究成功制造出高亮度,纯正的色彩,并达到了商业级数的运作效率。这都突显了二维钙钛矿是一种极具吸引力的新材料,可用于制作未来的商业用发光二极管,且有潜质应用于显示技术。这是基础研究及应用研究的一项极为实质的成果,创造出新颖的纳米级别材料。

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二维钙钛矿发光二极管的结构及性能。(图片来源: DOI number: 10.1038/s41467-021-21522-8)

 

论文的共同第一作者包括了上海大学孔令媚、吉林大学张晓宇副教授(他2015年曾于香港城大Rogach教授领导的研究团队里担任研究助理),以及中国科学技术大学李云国特任研究员。其他研究团队成员包括Rogach教授团队的研究员Stephen V. Kershaw博士,以及来自上海大学、吉林大学、中国科学技术大学、南开大学、武汉大学以及中国科学院的研究员。

Rogach
Andrey Rogach教授

 

DOI number: 10.1038/s41467-021-21522-8

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本文已于 “香港城大研创” 微信公众号发布。
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