來源: 澎湃新聞
不同鈣鈦礦材料和鈣鈦礦發(fā)光二極管在紫外燈下的明亮熒光（右下）。 發(fā)光效率達(dá)29.5%，運行壽命提升近30倍！ 中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所研發(fā)出了具有全球領(lǐng)先性能的鈣鈦礦發(fā)光二極管。相關(guān)論文2月5日在線發(fā)表于《自然·光子學(xué)》(Nature Photonics)。 研究人員認(rèn)為，這項研究結(jié)果為鈣鈦礦材料在發(fā)光顯示領(lǐng)域的應(yīng)用鋪平了道路，將極大加快鈣鈦礦發(fā)光顯示器件走入千家萬戶的進(jìn)程。 高色彩純度的未來 鈣鈦礦材料被認(rèn)為是目前最具前途的半導(dǎo)體光電材料之一，制備成本低，光電性能優(yōu)異,通電時可以發(fā)光，光照時可以發(fā)電。 與目前顯示分辨率可達(dá)到4K或“視網(wǎng)膜”分辨率的OLED（有機發(fā)光二極管）技術(shù)相比，鈣鈦礦發(fā)光二極管的色彩純度更高，可提升至少1倍。 2月6日上午，上述論文第一作者、博士研究生丁碩告訴澎湃科技，“（這一發(fā)現(xiàn)的）經(jīng)濟(jì)效益還是比較顯著的，發(fā)光顯示產(chǎn)業(yè)每年也是萬億元級別的市場。其應(yīng)用方式主要是把鈣鈦礦材料做成電子元器件，比如鈣鈦礦發(fā)光二極管；然后集成成照明顯示組件，比如燈具、顯示屏，甚至是激光器等組件。” 對于高清顯示，丁碩解釋說，以前的液晶顯示的材料本身不發(fā)光，靠背光透過來呈現(xiàn)顏色和對比，而OLED和鈣鈦礦LED都是材料本身發(fā)光，不需要背光，所以能實現(xiàn)高清顯示。 丁碩表示，發(fā)光二極管的色彩純度是指其發(fā)光的波長分布，比如純紅光對應(yīng)的波長是630nm（納米），但由于半導(dǎo)體本身電子結(jié)構(gòu)的限制，會產(chǎn)生一定范圍的光，這個范圍越小，色彩越純。鈣鈦礦能實現(xiàn)620nm到640nm的光，半高寬只有20nm，看起來顏色更純。 創(chuàng)新方法，延長鈣鈦礦發(fā)光二極管壽命 1839年，柏林大學(xué)礦物學(xué)家古斯塔夫斯·羅斯（Gustavus Rose）在歐亞兩洲的分界線烏拉爾山脈發(fā)現(xiàn)天然的鈣鈦礦——由無機物鈦酸鈣組成的礦物。 丁碩表示，最新發(fā)表論文中材料的主要成分是甲脒鉛溴，雖然它完全由人工合成，且其化學(xué)成分與鈦酸鈣完全不同，但是它們的晶體結(jié)構(gòu)一模一樣。人們也習(xí)慣把后者叫做鈣鈦礦。 此前，人們雖然認(rèn)識到了鈣鈦礦發(fā)光二極管的發(fā)光特性，但其運行穩(wěn)定性很低，且對根本原因認(rèn)識不足，阻礙了其性能提升和商業(yè)化應(yīng)用進(jìn)程。 丁碩介紹，鈣鈦礦發(fā)光二極管運行壽命此前都在20小時以下，僅在2022年和2023年有研究分別到達(dá)了約3000和20000多小時，相關(guān)論文都發(fā)表在《自然》上。而其他發(fā)光二極管，比如家用照明的無機的二極管，壽命長達(dá)幾十年；有機發(fā)光二極管的壽命，比如常用于手機顯示屏的，可以做到10年以上。 中國科學(xué)院寧波材料所先進(jìn)納米光電材料與器件團(tuán)隊向超宇研究員和錢磊研究員是前述論文的通訊作者。他們帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊創(chuàng)造性地開發(fā)出了“溶劑篩”方法，解決了鈣鈦礦材料的本征穩(wěn)定性問題。 研究團(tuán)隊對具有代表性的準(zhǔn)二維鈣鈦礦材料內(nèi)部的精細(xì)納米結(jié)構(gòu)進(jìn)行了深入分析，找出內(nèi)部較薄的納米片（只有一或二層鉛離子）是誘發(fā)鈣鈦礦不穩(wěn)定的關(guān)鍵來源。這些較薄的納米片是由快速不可控的結(jié)晶過程形成的，本身結(jié)晶質(zhì)量差，缺陷較多，容易發(fā)生分解，并且它們的分解會進(jìn)一步誘發(fā)鈣鈦礦薄膜整體的分解，極大地降低了鈣鈦礦材料的穩(wěn)定性。 研究團(tuán)隊利用較薄納米片比起其他組分更容易溶于極性溶劑的特性，通過精準(zhǔn)調(diào)控其中極性溶劑所占的比例來調(diào)整篩分的強度大小，就可以實現(xiàn)剛好只溶解掉具有一或二層鉛離子的薄納米片，而不傷害鈣鈦礦材料中的其他結(jié)構(gòu)的效果，拓展了人們對鈣鈦礦精細(xì)納米結(jié)構(gòu)進(jìn)行操控的工具箱，為開發(fā)具有獨特納米結(jié)構(gòu)和性能的鈣鈦礦材料奠定了基礎(chǔ)。 通過“溶劑篩”方法，去除掉薄納米片后，鈣鈦礦材料不僅可以在濕潤空氣中保持發(fā)光性能超過100天，制備的鈣鈦礦發(fā)光二極管更是展現(xiàn)出在10坎德拉每平方米亮度下超過5萬小時（5.7年）的運行壽命，較處理之前提升近30倍，是目前所有綠光鈣鈦礦發(fā)光二極管的最高值，達(dá)到了實現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用的要求。同時，鈣鈦礦發(fā)光二極管的發(fā)光效率也達(dá)到了29.5%，也是目前無光提取設(shè)計的鈣鈦礦發(fā)光二極管效率的紀(jì)錄，顯著提高了電轉(zhuǎn)化為光的效率，簡化了散熱設(shè)計的需求。 論文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41566-023-01372-0 |
