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浙江大學材料學院葉志鎮(zhèn)院士團隊在鈣鈦礦LED領域連獲重大突破
來源：
時間：2024-08-12 19:41:00
近日，浙江大學材料學院葉志鎮(zhèn)院士團隊在鈣鈦礦發(fā)光二極管（LED）研究方面捷報頻傳。
在藍光 LED 效率提升方面，團隊成功攻克了鈣鈦礦氯缺陷控制這一科學難題，創(chuàng)造了當前 460 - 480 nm 顯示用藍光 LED 效率的全球新紀錄。其研究成果《Highly efficient blue light-emitting diodes based on mixed-halide perovskites with reduced chlorine defects》于 7 月 18 日在國際著名期刊《Science Advances》上發(fā)表。浙江大學作為該論文的第一單位，高贇博士與蔡秋婷博士研究生為共同第一作者，葉志鎮(zhèn)院士、戴興良研究員、狄大衛(wèi)教授為共同通訊作者。
與此同時，團隊在紅光 LED 亮度和穩(wěn)定性上也再次實現(xiàn)突破。他們成功解決了鈣鈦礦量子點導電與導熱差的難題，達成了 40 萬尼特的最高亮度紀錄。相關研究成果《Thermal management towards ultra-bright and stable perovskite nanocrystal-based pure red light-emitting diodes》于 8 月 3 日在國際著名期刊《Nature Communications》上刊出。浙江大學同樣為該論文的第一單位，李紅金博士與朱曉芳博士研究生為共同第一作者，葉志鎮(zhèn)院士、戴興良研究員為共同通訊作者。今年以來，該團隊已連續(xù)發(fā)表 5 篇高水平論文。
鈣鈦礦混合鹵素藍光器件效率的發(fā)展并非一帆風順，“波長越藍，提升越難”。特別是對于深藍和純藍波段的 LED 器件，常規(guī)的鈍化手段對效率提升效果甚微。造成器件性能不佳的主要原因在于：一是鹵素原子最外層 p 軌道參與構成鈣鈦礦能帶結構，氯的引入加深了價帶頂，加大了空穴注入的勢壘；二是氯的引入帶來氯空位，形成深能級缺陷，增加了非輻射復合通道，降低了光學性能。基于此，團隊深入探究制約藍光器件效率的關鍵因素，以尋求突破效率瓶頸的方法。
研究團隊通過不同時間尺度下的光譜觀測，明晰了氯含量與氯缺陷及材料光學性能之間的變化關聯(lián)，得出氯含量與納米晶薄膜中缺陷及熒光量子產率呈負相關的定性關系，并提出降低氯含量以抑制氯缺陷這一提升藍光 LED 器件性能的關鍵思路。采用 A 位銣補償策略，在保證 CsPbBrxCl3-x 納米晶發(fā)光波長不變的情況下，有效降低了氯含量，顯著抑制了缺陷，提升了納米晶的光學性能?；诤溂{米晶制備的鈣鈦礦藍光 LED 器件在顯示所需波段下均實現(xiàn)了更高的器件效率，其中 480nm 的器件效率高達 26.4%，成為迄今鈣鈦礦藍光 LED 器件中的最高效率。
在純紅光鈣鈦礦發(fā)光二極管領域，外量子效率已接近極限，但高性能的紅光 LED 仍面臨諸多挑戰(zhàn)，如低飽和亮度、嚴重的 EQE 衰減以及較差的工作穩(wěn)定性等。多數(shù)純紅 LED 的最大亮度僅為幾千尼特，難以滿足高亮度顯示的需求。其中，發(fā)光層的高電阻以及玻璃襯底的低導熱率導致的焦耳熱耗散不足，被視為影響 LED 性能的關鍵因素之一。熱量積聚不僅會增加熱激活陷阱態(tài)并加速離子相關過程，還會導致鈣鈦礦發(fā)光層的熱降解或分解。器件中溫度的升高還可能進一步破壞電荷注入平衡，并影響載流子的復合速率。至今，在純紅光 LED 中同時實現(xiàn)高效率、高亮度、改善的 EQE 滾降和光譜穩(wěn)定性仍困難重重。
研究團隊另辟蹊徑，開發(fā)了控制納米晶薄膜發(fā)光層的焦耳熱生成和增強器件散熱的協(xié)同策略。通過磷酸二苯酯對納米晶進行表面調控，提升了納米晶薄膜的光學性能和載流子傳輸性能。結合高導熱率的藍寶石襯底以及脈沖模式驅動，成功實現(xiàn)了近 40 萬尼特的超高亮度 LED，比已報道的器件亮度高出兩個數(shù)量級。并且，在高電流密度（15 A cm−2）范圍內保持了出色的光譜穩(wěn)定性，達到了與無機 LED 相近的水平。該項研究突顯了熱管理策略在推進高性能鈣鈦礦 LED 中的重要性，結果表明，增強納米晶的光電特性有助于減少焦耳熱的產生，有效的散熱器集成和充足的散熱有利于器件內的有效熱管理，最終助力實現(xiàn)高性能器件。超高電流密度下鈣鈦礦量子點器件所展現(xiàn)的超高亮度和穩(wěn)定性，為高功率鈣鈦礦基器件的發(fā)展筑牢了根基。
前言：鈣鈦礦發(fā)光二極管作為新興的研究領域，一直備受科學界關注。浙江大學材料學院葉志鎮(zhèn)院士團隊在該領域的深入探索和卓越成果，為這一領域的發(fā)展注入了強大動力。
結尾：上述一系列突破性工作得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金、中央高?；緲I(yè)務費、浙江省“尖兵”“領雁”項目、浙江大學溫州研究院科技專項、山西 - 浙大新材料與化工研究院等的共同資助和支持。相信在未來，葉志鎮(zhèn)院士團隊將在鈣鈦礦 LED 領域繼續(xù)勇攀高峰，為科技創(chuàng)新貢獻更多力量。
在藍光 LED 效率提升方面，團隊成功攻克了鈣鈦礦氯缺陷控制這一科學難題，創(chuàng)造了當前 460 - 480 nm 顯示用藍光 LED 效率的全球新紀錄。其研究成果《Highly efficient blue light-emitting diodes based on mixed-halide perovskites with reduced chlorine defects》于 7 月 18 日在國際著名期刊《Science Advances》上發(fā)表。浙江大學作為該論文的第一單位，高贇博士與蔡秋婷博士研究生為共同第一作者，葉志鎮(zhèn)院士、戴興良研究員、狄大衛(wèi)教授為共同通訊作者。
與此同時，團隊在紅光 LED 亮度和穩(wěn)定性上也再次實現(xiàn)突破。他們成功解決了鈣鈦礦量子點導電與導熱差的難題，達成了 40 萬尼特的最高亮度紀錄。相關研究成果《Thermal management towards ultra-bright and stable perovskite nanocrystal-based pure red light-emitting diodes》于 8 月 3 日在國際著名期刊《Nature Communications》上刊出。浙江大學同樣為該論文的第一單位，李紅金博士與朱曉芳博士研究生為共同第一作者，葉志鎮(zhèn)院士、戴興良研究員為共同通訊作者。今年以來，該團隊已連續(xù)發(fā)表 5 篇高水平論文。
鈣鈦礦混合鹵素藍光器件效率的發(fā)展并非一帆風順，“波長越藍，提升越難”。特別是對于深藍和純藍波段的 LED 器件，常規(guī)的鈍化手段對效率提升效果甚微。造成器件性能不佳的主要原因在于：一是鹵素原子最外層 p 軌道參與構成鈣鈦礦能帶結構，氯的引入加深了價帶頂，加大了空穴注入的勢壘；二是氯的引入帶來氯空位，形成深能級缺陷，增加了非輻射復合通道，降低了光學性能。基于此，團隊深入探究制約藍光器件效率的關鍵因素，以尋求突破效率瓶頸的方法。
研究團隊通過不同時間尺度下的光譜觀測，明晰了氯含量與氯缺陷及材料光學性能之間的變化關聯(lián)，得出氯含量與納米晶薄膜中缺陷及熒光量子產率呈負相關的定性關系，并提出降低氯含量以抑制氯缺陷這一提升藍光 LED 器件性能的關鍵思路。采用 A 位銣補償策略，在保證 CsPbBrxCl3-x 納米晶發(fā)光波長不變的情況下，有效降低了氯含量，顯著抑制了缺陷，提升了納米晶的光學性能?；诤溂{米晶制備的鈣鈦礦藍光 LED 器件在顯示所需波段下均實現(xiàn)了更高的器件效率，其中 480nm 的器件效率高達 26.4%，成為迄今鈣鈦礦藍光 LED 器件中的最高效率。
在純紅光鈣鈦礦發(fā)光二極管領域，外量子效率已接近極限，但高性能的紅光 LED 仍面臨諸多挑戰(zhàn)，如低飽和亮度、嚴重的 EQE 衰減以及較差的工作穩(wěn)定性等。多數(shù)純紅 LED 的最大亮度僅為幾千尼特，難以滿足高亮度顯示的需求。其中，發(fā)光層的高電阻以及玻璃襯底的低導熱率導致的焦耳熱耗散不足，被視為影響 LED 性能的關鍵因素之一。熱量積聚不僅會增加熱激活陷阱態(tài)并加速離子相關過程，還會導致鈣鈦礦發(fā)光層的熱降解或分解。器件中溫度的升高還可能進一步破壞電荷注入平衡，并影響載流子的復合速率。至今，在純紅光 LED 中同時實現(xiàn)高效率、高亮度、改善的 EQE 滾降和光譜穩(wěn)定性仍困難重重。
研究團隊另辟蹊徑，開發(fā)了控制納米晶薄膜發(fā)光層的焦耳熱生成和增強器件散熱的協(xié)同策略。通過磷酸二苯酯對納米晶進行表面調控，提升了納米晶薄膜的光學性能和載流子傳輸性能。結合高導熱率的藍寶石襯底以及脈沖模式驅動，成功實現(xiàn)了近 40 萬尼特的超高亮度 LED，比已報道的器件亮度高出兩個數(shù)量級。并且，在高電流密度（15 A cm−2）范圍內保持了出色的光譜穩(wěn)定性，達到了與無機 LED 相近的水平。該項研究突顯了熱管理策略在推進高性能鈣鈦礦 LED 中的重要性，結果表明，增強納米晶的光電特性有助于減少焦耳熱的產生，有效的散熱器集成和充足的散熱有利于器件內的有效熱管理，最終助力實現(xiàn)高性能器件。超高電流密度下鈣鈦礦量子點器件所展現(xiàn)的超高亮度和穩(wěn)定性，為高功率鈣鈦礦基器件的發(fā)展筑牢了根基。
前言：鈣鈦礦發(fā)光二極管作為新興的研究領域，一直備受科學界關注。浙江大學材料學院葉志鎮(zhèn)院士團隊在該領域的深入探索和卓越成果，為這一領域的發(fā)展注入了強大動力。
結尾：上述一系列突破性工作得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金、中央高?；緲I(yè)務費、浙江省“尖兵”“領雁”項目、浙江大學溫州研究院科技專項、山西 - 浙大新材料與化工研究院等的共同資助和支持。相信在未來，葉志鎮(zhèn)院士團隊將在鈣鈦礦 LED 領域繼續(xù)勇攀高峰，為科技創(chuàng)新貢獻更多力量。
