鈣鈦礦發(fā)光二極管，被認(rèn)為是接替現(xiàn)有OLED技術(shù)的最有力競(jìng)爭(zhēng)者之一。然而運(yùn)行穩(wěn)定性低，成為限制其進(jìn)入工業(yè)化的主要阻礙。
中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“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(wèn)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(xué)》在線發(fā)表。
穩(wěn)定性差的根本因素
鈣鈦礦材料是一類(lèi)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(dú)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(diǎn)。
同時(shí)，與目前常見(jiàn)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(jìn)步，但運(yùn)行穩(wěn)定性低的問(wèn)題依舊是阻礙其投入實(shí)用的主要原因，尤其學(xué)界對(duì)于影響鈣鈦礦材料穩(wěn)定性的根本來(lái)源的認(rèn)知還不夠深入，都無(wú)疑阻礙了鈣鈦礦發(fā)光二極管性能的進(jìn)一步提升和商業(yè)化應(yīng)用進(jìn)程。
寧波材料所先進(jìn)納米光電材料與器件團(tuán)隊(duì)，對(duì)具有代表性的準(zhǔn)二維鈣鈦礦材料內(nèi)部的精細(xì)納米結(jié)構(gòu)進(jìn)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(lái)源。
文章第一作者、該所博士生丁碩告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，較薄的納米片是由快速不可控的結(jié)晶過(guò)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(huì)進(jìn)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(kāi)發(fā)有效的方法，精準(zhǔn)去處這些薄納米片。
“溶劑篩”法實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)篩分
由于薄納米片的尺度在納米量級(jí)，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(wèn)題，研究團(tuán)隊(duì)從篩網(wǎng)可以篩分不同尺寸沙粒的過(guò)程得到啟發(fā)，創(chuàng)造性地開(kāi)發(fā)出了“溶劑篩”方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)于不同厚薄的納米片的精準(zhǔn)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(tuán)隊(duì)開(kāi)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(guò)調(diào)控其中極性溶劑所占的比例，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)只有1或2層鉛離子的薄納米片的精準(zhǔn)去除，同時(shí)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(duì)鈣鈦礦精細(xì)納米結(jié)構(gòu)進(jìn)行操控的工具箱，為未來(lái)開(kāi)發(fā)具有獨(dú)特納米結(jié)構(gòu)和性能的鈣鈦礦材料奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
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(jì)錄。課題組供圖
亮度高、壽命長(zhǎng)
通過(guò)“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(rùn)空氣中保持發(fā)光性能超過(guò)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(guò)5萬(wàn)小時(shí)（5.7年）的運(yùn)行壽命，是目前所有綠光鈣鈦礦發(fā)光二極管的最高值，達(dá)到了實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用的要求。
同時(shí)，鈣鈦礦發(fā)光二極管的外量子效率也達(dá)到了29.5%，也是目前無(wú)光提取設(shè)計(jì)的鈣鈦礦發(fā)光二極管效率的記錄。
《自然—光子學(xué)》審稿人對(duì)這項(xiàng)研究中鈣鈦礦發(fā)光二極管實(shí)現(xiàn)的超高效率和運(yùn)行穩(wěn)定性贊嘆不已，也對(duì)文章揭示鈣鈦礦不穩(wěn)定性的關(guān)鍵來(lái)源，并通過(guò)“溶劑篩”方法實(shí)現(xiàn)對(duì)鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的精準(zhǔn)篩分的內(nèi)部機(jī)理給予了充分的肯定。
向超宇具有廣泛的產(chǎn)業(yè)經(jīng)驗(yàn)，曾領(lǐng)導(dǎo)新一代量子點(diǎn)LED的研發(fā)以及量子點(diǎn)顯示噴墨印刷技術(shù)開(kāi)發(fā)。他認(rèn)為，這項(xiàng)研究結(jié)果為鈣鈦礦材料在發(fā)光顯示領(lǐng)域的應(yīng)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(wàn)戶(hù)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)?shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化http://m.lensthegame.com/show-11-2801-0.html
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