鈣鈦礦發(fā)光二極管，被認為是接替現(xiàn)有OLED技術(shù)的最有力競爭者之一。然而運行穩(wěn)定性低，成為限制其進入工業(yè)化的主要阻礙。
中國科學院寧波材料技術(shù)與工程研究所（以下簡稱“寧波材料所”）科研人員，近日研發(fā)的高效穩(wěn)定的鈣鈦礦發(fā)光二極管，解決了鈣鈦礦材料的本征穩(wěn)定性問題，為鈣鈦礦發(fā)光二極管的產(chǎn)業(yè)化指明了方向。
不同鈣鈦礦材料和鈣鈦礦發(fā)光二極管在紫外燈下的明亮熒光（右下）。課題組供圖
2月5日，該成果以《高亮度下高效穩(wěn)定鈣鈦礦發(fā)光二極管的相尺寸解析》為題由《自然—光子學》在線發(fā)表。
穩(wěn)定性差的根本因素
鈣鈦礦材料是一類和天然鈦酸鈣礦石（主要成分CaTiO3）具有相同晶體結(jié)構(gòu)的獨特材料，也是目前最具前途的光電材料之一，具有光電性能優(yōu)異、制備成本低的優(yōu)點。
同時，與目前常見的OLED技術(shù)相比，鈣鈦礦發(fā)光二極管可以將色彩純度提升至少1倍。
然而，鈣鈦礦發(fā)光二極管盡管在效率方面取得了顯著進步，但運行穩(wěn)定性低的問題依舊是阻礙其投入實用的主要原因，尤其學界對于影響鈣鈦礦材料穩(wěn)定性的根本來源的認知還不夠深入，都無疑阻礙了鈣鈦礦發(fā)光二極管性能的進一步提升和商業(yè)化應用進程。
寧波材料所先進納米光電材料與器件團隊，對具有代表性的準二維鈣鈦礦材料內(nèi)部的精細納米結(jié)構(gòu)進行了深入分析，找出了內(nèi)部較薄的納米片——只有1或2層鉛離子——是誘發(fā)鈣鈦礦不穩(wěn)定的關(guān)鍵來源。
文章第一作者、該所博士生丁碩告訴《中國科學報》，較薄的納米片是由快速不可控的結(jié)晶過程形成的，本身結(jié)晶質(zhì)量差，缺陷較多，容易發(fā)生分解。并且，它們的分解會進一步誘發(fā)鈣鈦礦薄膜整體的分解，極大地降低了鈣鈦礦材料的穩(wěn)定性。
因此，必須開發(fā)有效的方法，精準去處這些薄納米片。
“溶劑篩”法實現(xiàn)精準篩分
由于薄納米片的尺度在納米量級，又與其他結(jié)構(gòu)緊密地堆積在一起，常規(guī)的宏觀處理方法難以奏效。
為解決這一問題，研究團隊從篩網(wǎng)可以篩分不同尺寸沙粒的過程得到啟發(fā)，創(chuàng)造性地開發(fā)出了“溶劑篩”方法，實現(xiàn)了對于不同厚薄的納米片的精準篩分，有效去除了薄納米片相，極大地提升了最終鈣鈦礦材料的穩(wěn)定性和發(fā)光性能。
文章通訊作者、該所研究員向超宇介紹，團隊開發(fā)的“溶劑篩”是一種極性溶劑和非極性溶劑的組合。
新方法是利用較薄納米片易溶于極性溶劑的特性，如同調(diào)整篩網(wǎng)的大小就可以控制篩分沙粒的尺寸一樣，通過調(diào)控其中極性溶劑所占的比例，就可以實現(xiàn)對只有1或2層鉛離子的薄納米片的精準去除，同時不傷害鈣鈦礦材料中的其他結(jié)構(gòu)。
這一方法不僅顯著提升了鈣鈦礦材料發(fā)光性能和穩(wěn)定性，更極大拓展了人們對鈣鈦礦精細納米結(jié)構(gòu)進行操控的工具箱，為未來開發(fā)具有獨特納米結(jié)構(gòu)和性能的鈣鈦礦材料奠定了堅實的基礎。
圖 （左）“溶劑篩”方法的原理示意圖；（右）“溶劑篩”方法刷新了鈣鈦礦發(fā)光二極管的性能紀錄。課題組供圖
亮度高、壽命長
通過“溶劑篩”方法去除掉薄納米片后，鈣鈦礦材料展現(xiàn)出驚人的穩(wěn)定性，不僅可以在濕潤空氣中保持發(fā)光性能超過100天，制備的鈣鈦礦發(fā)光二極管更是展現(xiàn)出在100坎德拉/平方米亮度下超過5萬小時（5.7年）的運行壽命，是目前所有綠光鈣鈦礦發(fā)光二極管的最高值，達到了實現(xiàn)商業(yè)化應用的要求。
同時，鈣鈦礦發(fā)光二極管的外量子效率也達到了29.5%，也是目前無光提取設計的鈣鈦礦發(fā)光二極管效率的記錄。
《自然—光子學》審稿人對這項研究中鈣鈦礦發(fā)光二極管實現(xiàn)的超高效率和運行穩(wěn)定性贊嘆不已，也對文章揭示鈣鈦礦不穩(wěn)定性的關(guān)鍵來源，并通過“溶劑篩”方法實現(xiàn)對鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的精準篩分的內(nèi)部機理給予了充分的肯定。
向超宇具有廣泛的產(chǎn)業(yè)經(jīng)驗，曾領(lǐng)導新一代量子點LED的研發(fā)以及量子點顯示噴墨印刷技術(shù)開發(fā)。他認為，這項研究結(jié)果為鈣鈦礦材料在發(fā)光顯示領(lǐng)域的應用鋪平了道路，極大地加快了鈣鈦礦發(fā)光顯示器件走入千家萬戶的行程。
相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1038/s41566-023-01372-0
本文鏈接：鈣鈦礦發(fā)光二極管或?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)業(yè)化http://www.lensthegame.com/show-11-2801-0.html
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