导读
信息与通讯技术的飞速发展对显示终端设备提出了更高的要求，迫切需要开发新型半导体显示技术助力产业升级。目前，已经商业化的有机发光二极管（OLED）成本较高，且通常表现出较宽的发射光谱，导致其色纯度低。金属卤化物钙钛矿发光二极管（PeLED）技术是新兴的显示技术和当前的研究热点。该技术具有发射光谱窄、色域宽等优点，可以满足新一代高清显示Rec.2020标准，并且钙钛矿原材料丰富、成本低，但该类器件的稳定性尚无法达到实际应用要求。
近日，上海大学杨绪勇教授、张建华教授团队联合南方科技大学王恺教授等科研团队设计了一个光电有效调制的串联层使PeLED与OLED两个电致发光单元集成，实现了高效率、高稳定、窄光谱发射的杂化LED器件。该成果以“Efficient and stable hybrid perovskite-organic light-emitting diodes with external quantum efficiency exceeding 40 percent”为题发表于《Light: Science & Applications》。
研究亮点
该杂化器件以底部PeLED单元和顶部OLED单元堆叠而成，而实现器件高性能的关键是设计有效的连接两个发光单元的串联层结构。研究团队巧妙地将极薄的MoO3层插入到由电子产生层HAT-CN和空穴产生层CBP组成的串联层之间。MoO3的最低未占据分子轨道（LUMO）能级比CBP的最高占据分子轨道能级（HOMO）更深，促进了电场作用下电子和空穴在HAT-CN/CBP界面的产生和分离。得益于亚发光单元器件的高效电荷注入及载流子输运平衡，杂化叠层LED器件实现了43.42%的高外量子效率，这一效率值几乎是PeLED（21.07%）和OLED（21.33%）的效率之和。此外，该器件也表现出高的色纯度，其发射光谱半峰宽仅为31 nm，远远窄于OLED的光谱半峰宽（67 nm）（图1）。
图1 器件结构和性能。杂化LED的（a）器件结构和（b）能带示意图。PeLED、OLED和杂化LED的（c）电致发光光谱、（d）电流密度-电压、（e）亮度-电压和（f）外量子效率-电流密度特性曲线。
电学模拟研究发现，电子和空穴在HAT-CN/CBP界面分离形成电偶极子，从而产生内建电场。MoO3插入后，进一步促进了载流子在界面的分离，电偶极子数量增加，导致电场明显增强，显著提高了亚发光单元的辐射复合速率。基于串联层结构器件的电流密度-电压和电容-电压特性曲线揭示，串联层的载流子产生能力随着MoO3厚度增加而增强（图2）。但另一方面，过厚的MoO3引起串联层的透过率降低，不利于光的外耦合。更重要的是，较高的电流密度注入发光层容易引起激子的解离和器件过热，导致性能下降。因此，超薄的MoO3层的插入是实现杂化器件高性能的关键因素之一。
图2 电学特性表征。不同MoO3厚度的串联层器件的（a）电流密度-电压和（b）电容-电压特性曲线。（c）ITO/HAT-CN（左）和ITO/HAT-CN/MoO3（右）的C-AFM图像。（d）含有MoO3（m-CGL）和没有MoO3（CGL）的杂化LED的表面温度变化。
沉积MoO3对HAT-CN薄膜的表面形貌及其粗糙度未有明显改变，却显著了提高HAT-CN的电导率。这是由于高载流子迁移率的MoO3可以部分扩散到HAT-CN薄膜内部，有利于串联层内部的载流子分离和输运，抑制器件产生焦耳热。此外，基于超薄MoO3的串联层的高效电荷传输和注入，使得杂化LED器件亮度提升1.8倍，超过176,000 cd m-2。值得指出的是，杂化LED器件在低电流密度下实现了高亮度和高效率，同时器件产热降低，从而显著改善LED的工作寿命。杂化LED器件在100 cd m-2初始亮度下的半衰期达到了42,000 h。（来源：LightScienceApplications微信公众号）
相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41377-024-01500-7
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