利用二維鈣鈦礦薄膜製造高效能發光二極管

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過去數十年來,高能源效益的發光二極管(LEDs)一直應用於日常生活之中。但為了追求色彩更亮麗、成本更低、質素更佳的新一代發光二極管,科學家們近來開始注意到一種叫做鈣鈦礦(perovskite)的材料。香港城市大學(香港城大)科學家有份帶領的一項最新聯合研究,成功發展出一種二維(2D)鈣鈦礦材料,可用以製作效能最佳的發光二極管。

由家居照明到手機顯示屏,從使用內窺鏡時需要的微型「點光源」,以至於可在太空照射蔬菜以促成生長的人造光源,發光二極管的應用可謂無處不在。可是現時若要製作高品質發光二極管,必須在高溫的環境及使用精密的沉積技術,這令製作成本居高不下。

科學家近來發現「金屬鹵化物鈣鈦礦」(即一種與CaTiO3擁有相同結構,但由不同元素所組成的半導體),極具潛力成為新一代的發光二極管材料。這種鈣鈦礦可在室溫環境下,以溶液製成發光二極管,因而大幅降低製作成本。不過,發光二極管內鈣鈦礦的「電致發光」(electro-luminescence)效能,目前仍有改進空間。

提升亮度新方法

由香港城大材料科學及工程學系Andrey Rogach教授以及與他合作研究的上海大學楊緒勇教授所領導的科研團隊,最近成功找到方法,能夠令鈣鈦礦的發光亮度顯著增加!

這一科研團隊致力於研究2D鈣鈦礦(又稱作Ruddlesden Popper perovskites),並成功研製出高效且光亮的發光二極管,無論從所錄得的「電流效率」(current efficiency)以及「外量子效率」(external quantum efficiency)數據來看,都是使用同類鈣鈦礦物料所製作的發光器件之中表現最佳的。研究團隊的研究成果,令使用鈣鈦礦製作的發光二極管的質素已可媲美現時商業上流行的最新顯示技術,例如有機發光二極管。

科研團隊上述最新研究成果,已經在科學期刊《Nature Communications》發表,論文題目為“Smoothing the energy transfer pathway in quasi-2D perovskite films using methanesulfonate leads to highly efficient light-emitting devices”. 

科研團隊能做到這種有力的改進,關鍵在於添加了大約10%的一種簡單有機分子——甲磺酸鹽(methanesulfonate, MeS)。

有機分子的關鍵

在這個研究之中,科研團隊使用的2D鈣鈦礦,其厚度薄至納米程度。他們發現,甲磺酸鹽成功重構了二維鈣鈦礦納米薄膜的結構,加強了不同厚度的鈣鈦礦薄膜之間的「激子」(exciton)能量轉移。上述轉變大大增加了較厚的鈣鈦礦薄膜內2D結構的綠光電致發光效能。

Figure 1
甲磺酸鹽對鈣鈦礦薄膜的相位分佈(phase distribution)的影響。黃色箭頭顯示激子在不同厚薄的鈣鈦礦納米片之間的能量轉移路徑。
(圖片來源: DOI number: 10.1038/s41467-021-21522-8)

 

另一方面,甲磺酸鹽亦有助減少二維鈣鈦礦的結構缺陷的數目。在產生光的過程裡,「未配位」(uncoordinated)的Pb2+陽離子會導致激子發生「非輻射復合」(non-radiative recombination)現象,但非輻射復合並不發光,因而會「浪費」激子。MeS便藉着減少未配位Pb2+陽離子的數目,保證到有更多的激子轉換為光子。

是次為了研發更佳發光二極管的研究,成果令人鼓舞。根據實驗所錄得的數據,在施以5.5V低電壓的情況下,亮度達到13,400坎德拉每平方米(13,400 candela/m2 ),外量子效率則有20.5%,這效能已逼近不少現存的二極發光管技術的最高水平,這亦較研究團隊兩年前研究中所錄得的10.5%外量子效率高出接近一倍。

令人鼓舞的發光效果

Andrey Rogach教授說:「我們香港城大團隊在相對短的時間內,已積累了鈣鈦礦物料的專業知識並達到非常高的水平,在此我們要感謝裘槎基金會的『優秀科研者獎』在研究資金上的支持。我們亦已見到成果,尤其是研究結果已經在最新出版的科學期刊上詳細發表。」

Andrey Rogach教授補充:「研究成功製造出高亮度,純正的色彩,並達到了商業級數的運作效率。這都突顯了二維鈣鈦礦是一種極具吸引力的新材料,可用於製作未來的商業用發光二極管,且有潛質應用於顯示技術。這是基礎研究及應用研究的一項極為實質的成果,創造出新穎的納米級別材料。」

Figure 2
二維鈣鈦礦發光二極管的結構及性能。
(圖片來源: DOI number: 10.1038/s41467-021-21522-8)

 

論文的共同第一作者包括了上海大學孔令媚、吉林大學張曉宇副教授(他2015年曾於香港城大Rogach教授領導的研究團隊裡擔任研究助理),以及中國科學技術大學李雲國特任研究員。其他研究團隊成員包括Rogach教授團隊的研究員Stephen V. Kershaw博士,以及來自上海大學、吉林大學、中國科學技術大學、南開大學、武漢大學以及中國科學院的研究員。

Rogach
Andrey Rogach教授

 

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

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