近日，西北工業(yè)大學(xué)黃維院士、南京工業(yè)大學(xué)朱琳副教授和常州大學(xué)王建浦教授團(tuán)隊(duì)在鈣鈦礦發(fā)光二極管（LED）研究領(lǐng)域取得重大突破：利用加快輻射復(fù)合速率，顯著提高熒光量子效率，使鈣鈦礦LED外量子效率突破30%大關(guān)，接近產(chǎn)業(yè)化水平。相關(guān)成果以“Acceleration of radiative recombination for efficient perovskite LEDs”為題發(fā)表在國際頂尖學(xué)術(shù)期刊Nature（《自然》）上。
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LED是新型顯示領(lǐng)域的關(guān)鍵核心技術(shù)，在高端制造業(yè)中具有重要地位，是新質(zhì)生產(chǎn)力的典型代表。薄膜LED技術(shù)是一類可以把LED器件大面積制備于任意基底（包括柔性）的技術(shù)，也是目前主流手機(jī)顯示屏制造所普遍采納的先進(jìn)技術(shù)。隨著全球新型顯示產(chǎn)業(yè)與應(yīng)用領(lǐng)域不斷發(fā)展，科技界對更低成本、更高亮度、更優(yōu)光效的高性能薄膜LED研發(fā)愈加深入。基于鈣鈦礦半導(dǎo)體材料的LED是一類新興的薄膜LED，具有加工工藝簡便、高亮度高效率等特性，近年來在光電器件研究領(lǐng)域備受矚目，成為全球新型發(fā)光與顯示技術(shù)競爭的焦點(diǎn)。
黃維院士和王建浦教授領(lǐng)導(dǎo)的創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)是國際上鈣鈦礦LED研究的開拓者與引領(lǐng)者。十年前，他們利用界面調(diào)控構(gòu)建高效率器件，在國際上率先突破了鈣鈦礦LED外量子效率1%的瓶頸。2016年，他們通過多量子阱鈣鈦礦實(shí)現(xiàn)高效發(fā)光，有效抑制非輻射復(fù)合，創(chuàng)下外量子效率突破10%的世界紀(jì)錄。2018年，他們利用溶液法自組裝形成亞微米結(jié)構(gòu)，構(gòu)建了易于出光耦合的新型器件，使得外量子效率邁過20%大關(guān)，再度刷新里程碑。十年櫛風(fēng)沐雨，團(tuán)隊(duì)研究成果在全球鈣鈦礦LED研究領(lǐng)域中形成重大影響，為海內(nèi)外同行探索高效率鈣鈦礦LED提供了寶貴借鑒，團(tuán)隊(duì)在鈣鈦礦LED領(lǐng)域發(fā)表的高水平研究成果在國際權(quán)威的科技數(shù)據(jù)庫——科睿唯安發(fā)布的“研究前沿”中位列全球首位。
鈣鈦礦發(fā)光材料有三維、低維之分，其中三維鈣鈦礦最有潛力實(shí)現(xiàn)高亮度下的高效率發(fā)光，對未來發(fā)光顯示技術(shù)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化意義重大。然而，三維鈣鈦礦LED外量子效率普遍停留在20%左右，整體性能提升遭遇瓶頸。“外量子效率由熒光量子效率和光提取效率共同決定，目前，器件光提取效率限制已被突破，熒光量子效率的提升卻未及預(yù)期。熒光量子效率是輻射復(fù)合與非輻射復(fù)合過程競爭的結(jié)果，也就是說，為了提升熒光量子效率，需要抑制非輻射復(fù)合、提升輻射復(fù)合。以往研究中大多采取缺陷鈍化的方式來抑制非輻射復(fù)合，但即使三維鈣鈦礦薄膜缺陷密度已經(jīng)減少到單晶鈣鈦礦水平，熒光量子效率仍普遍停留在70%左右。”王建浦教授介紹了領(lǐng)域內(nèi)有關(guān)三維鈣鈦礦材料熒光量子效率提升的難題。
為解決這一世界性難題，該團(tuán)隊(duì)另辟蹊徑，創(chuàng)造性地提出了一種通過調(diào)控晶體生長的方法，以生成輻射復(fù)合速率更快的鈣鈦礦晶相，從而顯著提高了熒光量子效率。同時(shí)，團(tuán)隊(duì)巧妙地運(yùn)用這一創(chuàng)新性方法成功地保持了三維鈣鈦礦的亞微米結(jié)構(gòu)，使得器件的光提取效率不受影響，達(dá)到了雙管齊下的效果。該研究由此實(shí)現(xiàn)了96%的熒光量子效率和大于30%的光提取效率，并進(jìn)一步制備出外量子效率達(dá)到32%的高效鈣鈦礦LED，再次創(chuàng)造了鈣鈦礦LED發(fā)光效率的世界紀(jì)錄。“我們同樣發(fā)現(xiàn)，器件在高亮度下仍能保持高效率，即使在100毫安每平方厘米的大電流密度下，外量子效率仍能保持在30%。”朱琳副教授介紹說。
談及鈣鈦礦LED的發(fā)展，黃維院士非常興奮地表示，這一重大突破進(jìn)一步彰顯了基于鈣鈦礦半導(dǎo)體材料的薄膜LED技術(shù)的巨大潛力，必將推動(dòng)基于鈣鈦礦LED的顯示技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化步伐。同時(shí)，預(yù)示著其在高效綠色照明領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用前景。“此外，這項(xiàng)創(chuàng)新突破也是我們團(tuán)隊(duì)在國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家基礎(chǔ)科學(xué)中心等科研項(xiàng)目的長期支持下，聯(lián)合國內(nèi)柔性電子領(lǐng)域多家優(yōu)勢單位，包括南京工業(yè)大學(xué)、福建師范大學(xué)（海峽創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室）、復(fù)旦大學(xué)、浙江大學(xué)、中山大學(xué)、常州大學(xué)和澳門大學(xué)等單位共同攻關(guān)取得的，充分體現(xiàn)了學(xué)科交叉、協(xié)同創(chuàng)新的重要作用”黃維院士補(bǔ)充介紹說。
（來源：柔性電子研究院）
