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鈣鈦礦發(fā)光二極管(鈣鈦礦LED)是在顯示、照明、通訊等領(lǐng)域極具潛力的新一代發(fā)光技術(shù)。鈣鈦礦LED制備成本低，且技術(shù)優(yōu)勢(shì)顯著：它具備與OLED類似的輕薄、柔性等特點(diǎn)，也具有與III-V族半導(dǎo)體LED相似的色純度與光譜可調(diào)性。僅經(jīng)過(guò)短短數(shù)年的發(fā)展，鈣鈦礦LED的效率就已可與成熟的發(fā)光技術(shù)媲美。

然而，與鈣鈦礦太陽(yáng)能電池類似，鈣鈦礦LED的不穩(wěn)定性是實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)應(yīng)用的最大挑戰(zhàn)。目前高性能鈣鈦礦LED的壽命一般在10-100小時(shí)量級(jí)。而OLED技術(shù)步入產(chǎn)業(yè)化所需的壽命至少為10000小時(shí)。此方向面臨重大挑戰(zhàn)，因?yàn)殁}鈦礦半導(dǎo)體可能是本征不穩(wěn)定的：它的晶體結(jié)構(gòu)具有顯著的離子特性，而離子在LED外加電場(chǎng)作用下容易移動(dòng)，從而造成材料降解。

最近，浙江大學(xué)光電學(xué)院現(xiàn)代光學(xué)儀器國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、海寧國(guó)際校區(qū)先進(jìn)光子學(xué)國(guó)際研究中心的狄大衛(wèi)教授與趙保丹研究員團(tuán)隊(duì)，在此方向取得了重要突破。他們利用一種雙極性分子穩(wěn)定劑，在鈣鈦礦LED中實(shí)現(xiàn)了可滿足實(shí)際應(yīng)用需要的超長(zhǎng)工作壽命。論文的通訊作者是狄大衛(wèi)教授與趙保丹研究員，第一作者是浙江大學(xué)碩士生郭兵兵。合作者包括廈門大學(xué)李澄教授團(tuán)隊(duì)、浙江大學(xué)洪子健教授團(tuán)隊(duì)、南京航空航天大學(xué)李偉偉教授團(tuán)隊(duì)等。相關(guān)研究論文“Ultrastable near-infrared perovskite light-emitting diodes”于8月8日發(fā)表于Nature Photonics期刊(Guo et al, Nat. Photon. (2022), doi:10.1038/s41566-022-01046-3)。

鈣鈦礦LED器件結(jié)構(gòu)(左上圖)；雙極性分子穩(wěn)定劑SFB10的化學(xué)式(左下圖); 器件T₅₀壽命與輻亮度的關(guān)系(右圖)。來(lái)源: Nature Photonics (2022)。

 “這些鈣鈦礦LED在5 mA/cm² 的恒定電流驅(qū)動(dòng)下，連續(xù)5個(gè)月(3600小時(shí))沒(méi)有出現(xiàn)亮度下降?！钡掖笮l(wèi)說(shuō)，“這非常令人振奮，超越了對(duì)鈣鈦礦LED的認(rèn)知。這些器件非常穩(wěn)定，仍在進(jìn)行的一些測(cè)試看來(lái)難以在一年甚至更長(zhǎng)時(shí)間結(jié)束。為了在一個(gè)較為合理的實(shí)驗(yàn)周期內(nèi)獲得壽命數(shù)據(jù)，需要開(kāi)展LED加速老化實(shí)驗(yàn)?！?/span>

這些近紅外鈣鈦礦LED展現(xiàn)出超長(zhǎng)的工作壽命。例如，在初始輻亮度為2.1 W sr^-1 m^-2 (電流為3.2 mA/cm²)的情況下，估算器件T₅₀壽命 (最初輻亮度降低到50%所需的時(shí)間)為32675小時(shí)(3.7年)。這個(gè)輻亮度所提供的光功率，與1000 cd/m²高亮度工作時(shí)的商用綠光OLED相當(dāng)。在0.21 W sr^-1 m^-2這個(gè)較低的輻亮度(上述亮度的1/10)或0.7 mA/cm²的電流下，推算得到T₅₀壽命為240萬(wàn)小時(shí) (約270年)。

鈣鈦礦LED的長(zhǎng)時(shí)間工作與加速老化實(shí)驗(yàn)(左圖)；對(duì)照組與穩(wěn)定后器件的外量子效率數(shù)據(jù)(右圖)。來(lái)源: Nature Photonics (2022)。

 “我們認(rèn)為對(duì)這種新型LED進(jìn)行可靠的壽命分析很有必要，為此我們?cè)诩铀倮匣瘜?shí)驗(yàn)中采集了62個(gè)器件壽命數(shù)據(jù)點(diǎn)，覆蓋了10-200 mA/cm²這個(gè)盡可能廣的電流密度范圍?！惫f(shuō)。器件的電致發(fā)光外量子效率(EQE)與能量轉(zhuǎn)化效率(ECE)分別達(dá)到了22.8%和20.7%，是目前近紅外鈣鈦礦LED的最高效率。

作者發(fā)現(xiàn)這些鈣鈦礦發(fā)光材料有非常穩(wěn)定的晶體結(jié)構(gòu)。“材料的晶體結(jié)構(gòu)經(jīng)過(guò)322天以上也沒(méi)有發(fā)生改變”，趙保丹說(shuō)，“這說(shuō)明雙極性分子穩(wěn)定劑幫助鈣鈦礦維持了它最初的、具有優(yōu)良光電性能的晶相。作為對(duì)比，未經(jīng)處理的對(duì)照組鈣鈦礦樣品的晶體結(jié)構(gòu)在兩周內(nèi)產(chǎn)生顯著變化并發(fā)生降解?！?/span>

鈣鈦礦樣品的結(jié)構(gòu)與化學(xué)分析。來(lái)源: Nature Photonics (2022)。

鈣鈦礦中的離子遷移是導(dǎo)致不穩(wěn)定的重要因素之一，這個(gè)問(wèn)題在LED外加電壓的影響下變得更為嚴(yán)重?！拔覀兊膶?shí)驗(yàn)與計(jì)算表明，雙極性分子與鈣鈦礦晶界處的離子產(chǎn)生化學(xué)鍵或相互作用?！惫f(shuō)，“這可能是我們的鈣鈦礦中離子遷移變得困難的原因?！?“我們與合作者開(kāi)展的電學(xué)與光學(xué)實(shí)驗(yàn)，都表明了離子移動(dòng)現(xiàn)象的抑制”，趙保丹補(bǔ)充道。

顯微熒光成像實(shí)驗(yàn)觀察鈣鈦礦在電場(chǎng)下的離子遷移效應(yīng)。來(lái)源: Nature Photonics (2022)。

器件壽命結(jié)果說(shuō)明，鈣鈦礦材料在穩(wěn)定性方面并沒(méi)有“基因缺陷”。“金屬鹵化物鈣鈦礦這類新型半導(dǎo)體，被廣泛認(rèn)為是本征不穩(wěn)定的，特別是在LED應(yīng)用等電場(chǎng)比較高的情況下”，狄大衛(wèi)說(shuō)，“我們的研究結(jié)果說(shuō)明，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的鈣鈦礦器件并非‘不可能的任務(wù)’”。

超長(zhǎng)的器件壽命有望提振鈣鈦礦LED領(lǐng)域的信心，因?yàn)樗褲M足商用OLED對(duì)穩(wěn)定性的基本要求。這些近紅外LED可用于近紅外顯示、通訊與生物等應(yīng)用。雖然具有類似長(zhǎng)壽命的可見(jiàn)光鈣鈦礦器件仍有待開(kāi)發(fā)，但超穩(wěn)定鈣鈦礦LED的實(shí)現(xiàn)，為鈣鈦礦發(fā)光技術(shù)進(jìn)入產(chǎn)業(yè)應(yīng)用鋪平了道路。