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钙钛矿单层高效电致白光中的半导体相变协同光电效应

2021-10-08

发光二极管(LED)是一种基础的半导体元器件,在现代社会具有广泛的用途,如照明、平板显示、医疗器件等。白光LED,作为照明与显示的共性关键基础,从氮化镓蓝色LED突破算起已历时三十余年。2014年,赤崎勇、天野浩和中村修二因“发明高亮度蓝光LED,带来了节能明亮的白色光源”共同获得当年的诺贝尔物理学奖。随着工业界对白光LED成本降低与性能提高的要求,以及新型照明、显示、光通讯等应用形态的要求,研究人员一直在探索白光LED的新原理、新方案、新应用。

近日,针对显示与照明的共性关键基础白光电光源,南京理工大学曾海波团队提出“单层电致白光”新思路,该文报道了钙钛矿的“相变协同光电效应”,基于该效应发展了只有单层发光半导体的高效明亮白光LED。为了开发新型白光LED体系,曾海波研究团队以近年发光二极管的明星材料钙钛矿作为切入点,选择CsPbI3作为研究对象。其中,α-CsPbI3具有~ 690 nm红色窄波段发光,δ-CsPbI3的光学禁带较大,不利于电荷注入,且具有1D晶格特性,容易晶格软化,不利于电荷传输。但是,基于同质异相的CsPbI3白光LED具有如下几点潜力:1. α-CsPbI3具有典型的钙钛矿优点,比如高载流子迁移率(0.23 cm2 V-1 s-1)、较高的辐射复合效率等;2. δ-CsPbI3具有自陷激子(self-trapped exciton)效应,发光谱覆盖整个可见光;3. α-CsPbI3可自发向δ-CsPbI3转变,构筑纳米级同质异构相。

研究团队利用热处理来调控α-CsPbI3纳米晶薄膜相变程度,构筑α-δ-CsPbI3异相膜并作为器件发光层。通过显微光谱和超快光谱等技术,澄清了异相膜中载流子的注入和输运由α-CsPbI3所主导,同时在电场的驱动下从两相界面注入到δ-CsPbI3中并辐射复合形成宽光谱发光。此外,尽管α-CsPbI3和δ-CsPbI3的HOMO能级有一定差异,但更接近于价带水平的界面态有利于空穴从α-CsPbI3到δ-CsPbI3的注入,同时电子注入的势垒则较小。该同质异相体系协同效应体现在,利用载流子输运能力更强的α-CsPbI3来辅助δ-CsPbI3进行辐射复合,从而能够实现高效明亮的白光LEDs(器件亮度达12200 cd m-2,最大外量子效率达6.5 %)。

鉴于钙钛矿近年来所展示出的原料及制备低成本、光电及电光转换高量子效率、柔性工艺兼容等优势,本工作提出的“半导体相变协同光电效应”新思路有望既促进对低成本、高性能等传统特征白光LED的研发,又促进对立体、透明、柔性照明显示等新一代白光电光源的探索,将在钙钛矿与照明显示交叉领域引起新一波研究热潮。

图1. (a-b) 基于α-δ-CsPbI3白光LED器件结构及性能;(c-e) 异相膜空间分辨的光电性质;(f) 白光LED器件工作机理。

研究成果以“Efficient and bright white light-emitting diodes based on single-layer heterophase halide perovskites”为题发表在Nature Photonics上,该论文第一作者为陈嘉伟、王健(华盛顿大学),通讯作者为徐晓宝、宋继中、David Ginger(华盛顿大学)、曾海波。该工作发表后,权威学术新闻媒体ChemistryViews以“Perovskites for White LEDs”为题进行了专门报道;国际著名期刊ACS Nano的副主编Andrey L. Rogach在Light: Science & Applications上以“Towards next generation white LEDs: optics-electronics synergistic effect in a single-layer heterophase halide perovskite”为题进行亮点报道;Materials Today Advances, Nano Energy, Materials Horizon等国际顶级期刊编委Yoshio Bando以“A new path in lighting and display: White light emitting diode with a single active layer”为题在Science Bulletin上亮点报道。

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