​科学家基于2D钙钛矿薄膜发明高效发光二极管

 高能效的发光二极管（LED）在我们的日常生活中已经使用了几十年。但是，为了追求更好的LED，既能降低成本，又能提供更亮的颜色，科学家们最近发现了一种叫做过氧化物的材料。最近由香港城市大学（CityU）的科学家共同领导的一个联合研究项目，已经开发出一种用于最高效LED的二维过氧化物材料。





从家庭照明到手机显示屏，从内窥镜手术所需的精确照明，到太空种菜的光源，LED无处不在。然而，目前高品质的LED仍然需要在高温下进行加工，并使用复杂的沉积技术，这使得其生产成本昂贵。


科学家们最近意识到，金属卤化物过氧化物--与钛酸钙矿物结构相同，但具有另一种元素成分的半导体材料--是下一代LED极有希望的候选材料。这些过氧化物可以在室温下从溶液中加工成LED，从而在很大程度上降低了其生产成本。然而，LED中的过氧化物的电致发光性能仍有改进的空间。


在城大材料科学与工程系讲席教授Andrey Rogach教授和他的合作者上海大学杨学勇教授的带领下，该团队找到了一种调光开关：他们可以将过氧化物的一次发光变成更亮的光！他们的研究结果表明，过氧化物在LED中的应用是非常广泛的。


他们利用二维（2-D）过氧化物（又称Ruddlesden Popper过氧化物），成功实现了非常高效和明亮的LED，基于这种过氧化物的器件在电流效率和外部量子效率上的表现都是报道中最好的。目前，这项工作已经使过氧化物LED紧跟目前的有机LED等商用显示技术。


他们的研究成果发表在科学杂志《自然通讯》上。


强大变化的关键在于加入10%左右的简单有机分子，即甲磺酸（MeS）。


在这项研究中，该团队使用的二维过氧化物具有纳米级的厚度。MeS重构了2-D过氧化物纳米片的结构，同时也增强了不同厚度的片材之间的激子能量传递。这两种变化都大大增强了2-D结构内较厚的绿色发光过氧化物薄片的电致发光能力。


MeS对减少二维过氧化物结构中的缺陷数量也很有用。在光的产生过程中，发生了辐射性重组，部分过程所需的激子将 "浪费 "在不产生光的非辐射性重组中。MeS减少了不协调的Pb2+阳离子的数量，而Pb2+阳离子是激子进行非辐射重组的原因，确保更多的激子参与光的产生。


为生产更好的LED而进行的研究结果令人鼓舞。在5.5V的低施加电压下，亮度达到13400candela/m2，外部量子效率达到20.5%。这接近于许多现有LED技术所能达到的最高值，并且比他们两年前的研究报告中10.5%的外部量子效率水平几乎翻了一番。


"我所在的城大团队在相对较短的时间内就将过氧化物材料的专业知识积累到了一个非常高的水平，这要归功于Croucher基金会高级研究员的资金支持。而且我们已经看到了效益，特别是在最新发表的成果中详细说明。"Rogach教授说。


"已经实现的高亮度、优秀的色彩纯度和商业级的运行效率标志着2-D过氧化物是未来商业LED的一种极具吸引力的材料，也有可能成为显示技术。这是对新型纳米尺度材料的基础研究和应用研究的具体成果 "他补充道。