作者:张楠 来源:中国科学报 发布时间:2024/2/5 18:38:56
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钙钛矿发光二极管或将实现产业化

 

钙钛矿发光二极管,被认为是接替现有OLED技术的最有力竞争者之一。然而运行稳定性低,成为限制其进入工业化的主要阻碍。

中国科学院宁波材料技术与工程研究所(以下简称“宁波材料所”)科研人员,近日研发的高效稳定的钙钛矿发光二极管,解决了钙钛矿材料的本征稳定性问题,为钙钛矿发光二极管的产业化指明了方向。

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不同钙钛矿材料和钙钛矿发光二极管在紫外灯下的明亮荧光(右下)。课题组供图

2月5日,该成果以《高亮度下高效稳定钙钛矿发光二极管的相尺寸解析》为题由《自然—光子学》在线发表。

稳定性差的根本因素

钙钛矿材料是一类和天然钛酸钙矿石(主要成分CaTiO3)具有相同晶体结构的独特材料,也是目前最具前途的光电材料之一,具有光电性能优异、制备成本低的优点。

同时,与目前常见的OLED技术相比,钙钛矿发光二极管可以将色彩纯度提升至少1倍。

然而,钙钛矿发光二极管尽管在效率方面取得了显著进步,但运行稳定性低的问题依旧是阻碍其投入实用的主要原因,尤其学界对于影响钙钛矿材料稳定性的根本来源的认知还不够深入,都无疑阻碍了钙钛矿发光二极管性能的进一步提升和商业化应用进程。

宁波材料所先进纳米光电材料与器件团队,对具有代表性的准二维钙钛矿材料内部的精细纳米结构进行了深入分析,找出了内部较薄的纳米片——只有1或2层铅离子——是诱发钙钛矿不稳定的关键来源。

文章第一作者、该所博士生丁硕告诉《中国科学报》,较薄的纳米片是由快速不可控的结晶过程形成的,本身结晶质量差,缺陷较多,容易发生分解。并且,它们的分解会进一步诱发钙钛矿薄膜整体的分解,极大地降低了钙钛矿材料的稳定性。

因此,必须开发有效的方法,精准去处这些薄纳米片。

“溶剂筛”法实现精准筛分

由于薄纳米片的尺度在纳米量级,又与其他结构紧密地堆积在一起,常规的宏观处理方法难以奏效。

为解决这一问题,研究团队从筛网可以筛分不同尺寸沙粒的过程得到启发,创造性地开发出了“溶剂筛”方法,实现了对于不同厚薄的纳米片的精准筛分,有效去除了薄纳米片相,极大地提升了最终钙钛矿材料的稳定性和发光性能。

文章通讯作者、该所研究员向超宇介绍,团队开发的“溶剂筛”是一种极性溶剂和非极性溶剂的组合。

新方法是利用较薄纳米片易溶于极性溶剂的特性,如同调整筛网的大小就可以控制筛分沙粒的尺寸一样,通过调控其中极性溶剂所占的比例,就可以实现对只有1或2层铅离子的薄纳米片的精准去除,同时不伤害钙钛矿材料中的其他结构。

这一方法不仅显著提升了钙钛矿材料发光性能和稳定性,更极大拓展了人们对钙钛矿精细纳米结构进行操控的工具箱,为未来开发具有独特纳米结构和性能的钙钛矿材料奠定了坚实的基础。

图 (左)“溶剂筛”方法的原理示意图;(右)“溶剂筛”方法刷新了钙钛矿发光二极管的性能纪录。课题组供图

亮度高、寿命长

通过“溶剂筛”方法去除掉薄纳米片后,钙钛矿材料展现出惊人的稳定性,不仅可以在湿润空气中保持发光性能超过100天,制备的钙钛矿发光二极管更是展现出在100坎德拉/平方米亮度下超过5万小时(5.7年)的运行寿命,是目前所有绿光钙钛矿发光二极管的最高值,达到了实现商业化应用的要求。

同时,钙钛矿发光二极管的外量子效率也达到了29.5%,也是目前无光提取设计的钙钛矿发光二极管效率的记录。

《自然—光子学》审稿人对这项研究中钙钛矿发光二极管实现的超高效率和运行稳定性赞叹不已,也对文章揭示钙钛矿不稳定性的关键来源,并通过“溶剂筛”方法实现对钙钛矿结构的精准筛分的内部机理给予了充分的肯定。

向超宇具有广泛的产业经验,曾领导新一代量子点LED的研发以及量子点显示喷墨印刷技术开发。他认为,这项研究结果为钙钛矿材料在发光显示领域的应用铺平了道路,极大地加快了钙钛矿发光显示器件走入千家万户的行程。

相关论文信息:https://doi.org/10.1038/s41566-023-01372-0

 
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