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华侨大学魏展画教授团队在钙钛矿LED领域获突破

11月25日,华侨大学发光材料与信息显示研究院、材料科学与工程学院魏展画教授团队与多伦多大学电子与计算机工程系Edward H. Sargent教授团队,合作在国际顶级学术期刊Nature在线发表了研究论文Distribution control enables efficient reduced-dimensional perovskite LEDs。该工作通过缺陷钝化和发光中心维度调控,实现了钙钛矿LED器件性能和寿命的大幅提升,未来有望应用于新型显示和照明等领域。

11月25日,华侨大学发光材料与信息显示研究院、材料科学与工程学院魏展画教授团队与多伦多大学电子与计算机工程系Edward H. Sargent教授团队,合作在国际顶级学术期刊Nature在线发表了研究论文Distribution control enables efficient reduced-dimensional perovskite LEDs。该工作通过缺陷钝化和发光中心维度调控,实现了钙钛矿LED器件性能和寿命的大幅提升,未来有望应用于新型显示和照明等领域。

Nature是国际上最具影响力的学术期刊之一,致力于报道和评论全球科学研究最重要的突破。值得一提的是,2018年华侨大学首次以通讯单位发表Nature正刊。3年后,华侨大学再次以通讯单位发表Nature正刊论文,标志着学校的科研水平得到了显著提升,步入了良性发展的快车道。

金属卤化物钙钛矿具有优异的光电特性,如摩尔消光系数高、载流子迁移距离长、能带隙可调、缺陷容忍度高等,在太阳能电池和发光二极管等领域有着广阔的应用前景。基于微观晶体结构的不同,金属卤化物钙钛矿可分为零维、低维和三维等。其中,低维钙钛矿材料具有量子限域效应,激子结合能较大,不易产生非辐射复合,发光效率较高。

但是,要想开发应用于发光器件的高效、稳定的低维金属卤化物钙钛矿材料,仍面临两大挑战:一是缺陷态的存在,会致使形成非辐射复合中心,导致离子迁移,不利于器件的发光效率、稳定性;二是多相混合量子阱的形成,会导致在光、电激发下,能量从宽带隙量子阱向窄带隙量子阱传递,产生耗散,不利于器件的发光效率、色纯度。

图1三种钙钛矿发光薄膜的成膜过程示意图,其中PEA表示苯乙基铵盐,TPPO表示三苯基氧化膦,TFPPO表示三(4-氟苯基)氧化膦。

为了提高低维钙钛矿LED器件的性能,多伦多大学的EdwardH. Sargent团队和华侨大学的魏展画团队共同提出低维金属卤化物钙钛矿的表面钝化—阱宽调控策略。如图1所示,在反溶剂引发的结晶过程中,[PbBr6]4-、MA+和Cs+离子先形成钙钛矿前驱体薄片,然后PEA+有机阳离子与前驱体薄片作用生成低维钙钛矿发光薄膜。参照组中,PEA+有机阳离子的无序、快速扩散导致缺陷中心和杂乱维度的量子阱结构的产生。实验组中,TPPO和TFPPO分子中的P=O键可以和钙钛矿前驱体薄片发生P=O:Pb2+相互作用,有效地调控结晶过程,减少了缺陷中心的产生。此外,TFPPO中丰富的F基团可以和PEA+有机阳离子相互作用,起到原料缓释和延缓结晶生长的作用,最终形成维度均一的高质量钙钛矿发光薄膜。

图2(a)钙钛矿LED器件的结构示意图、截面透射电镜图和能级结构示意图;(b)三种钙钛矿LED器件对应的电流-电压曲线、亮度-电压曲线和外量子效率-亮度曲线;(c)三种钙钛矿LED器件的外量子效率统计分布图;(d)三种钙钛矿的单电子和单空穴器件的电流-电压曲线;(e)基于TFPPO处理的钙钛矿LED器件的工况寿命曲线。

如图2所示,这种薄膜具有均匀、致密的表面形貌,发光波长517 nm,发光半峰宽仅20 nm,光致发光效率接近100%。所制备的绿光LED器件外量子效率高达25.6%,在7,200 cd m-2亮度下运行寿命达到2小时,远超目前报道的同类器件。

魏展画教授表示,过去几年,钙钛矿LED的器件性能和工况寿命都得到了显著提升,但仍然是任重道远。未来需要更多的科学家一起努力提高器件的稳态输出性能、高效器件重复性和多色光谱输出性能等。

在该论文中,多伦多大学博士后马冬昕博士为第一作者,她曾在华侨大学开展了为期一年的访问研究;华侨大学的林克斌博士为第二作者,也为该工作做出了重要贡献。Edward H. Sargent教授和魏展画教授为通讯作者。该研究工作得到了国家自然科学基金、福建省自然科学基金和华侨大学科学研究基金的大力支持。

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