作者:张楠 来源:中国科学报 发布时间:2024/2/7 8:19:27
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科研人员用“溶剂筛”解决材料稳定性难题
打通钙钛矿发光“最后一公里”

 

■本报记者 张楠


钙钛矿发光二极管被认为是接替现有有机发光二极管(OLED)技术的最有力竞争者之一。然而,运行稳定性差成为其进入工业化阶段的主要障碍。

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。

2月5日,相关成果在线发表于《自然-光子学》。

 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。课题组供图

稳定性差的根本原因

钙钛矿材料是一类和天然钛酸钙矿石具有相同晶体结构的独特材料,也是目前最有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,尽管在效率方面有了显著提高,但钙钛矿发光二极管运行稳定性差的问题依旧是其投入实际应用的主要障碍,尤其是学界对于影响钙钛矿材料稳定性根本原因的认知还不够深入,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。

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,发现内部较薄的纳米片——只有1层或2层铅离子,是诱发钙钛矿不稳定的关键来源。

论文第一作者、宁波材料所博士生丁硕告诉《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,而它们的分解又会进一步诱发钙钛矿薄膜整体的分解,从而极大降低钙钛矿材料的稳定性。

因此,必须开发有效的方法,精准去除这些薄纳米片。

“溶剂筛”法实现精准筛分

由于薄纳米片是纳米量级,又与其他结构紧密地堆积在一起,因此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中得到启发,创造性地开发出“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,极大提高了钙钛矿材料的稳定性和发光性能。

论文通讯作者、宁波材料所研究员向超宇介绍,“溶剂筛”是一种极性溶剂和非极性溶剂的组合。如同调整筛网大小就可以控制筛分的沙粒尺寸一样,研究人员利用较薄纳米片易溶于极性溶剂的特性,通过调控其中极性溶剂所占比例,可以在不影响钙钛矿材料中其他结构的同时,实现对薄纳米片的精准去除。

这一方法不仅显著提高了钙钛矿材料的发光性能和稳定性,还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基础。

亮度高、寿命长

通过“溶剂筛”方法去除薄纳米片后,钙钛矿材料展现出了惊人的稳定性,可在湿润的空气中保持发光性能超过100天。同时,制备的钙钛矿发光二极管展现出在100坎德拉/平方米亮度下超过5万小时的运行寿命,是目前所有绿光钙钛矿发光二极管的最高值,达到了商业化应用的要求。

同时,钙钛矿发光二极管的外量子效率达到29.5%,是目前无光提取设计的钙钛矿发光二极管效率的新纪录。

论文审稿人对这项研究中钙钛矿发光二极管的超高效率和运行稳定性表示赞叹,也对研究人员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给予了充分肯定。

向超宇表示,这项研究成果为钙钛矿材料在发光显示领域的应用铺平了道路,极大加快了钙钛矿发光显示器件走入千家万户的进程。

相关论文信息:

https://doi.org/10.1038/s41566-023-01372-0

 
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