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近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)姚宏斌、樊逢佳、林岳、胡偉四個(gè)課題組通力合作，在純紅鈣鈦礦發(fā)光二極管（LED）領(lǐng)域取得重要突破。團(tuán)隊(duì)通過自主研發(fā)的電激發(fā)瞬態(tài)吸收光譜技術(shù)（EETA），揭示了純紅光鈣鈦礦LED亮度與效率難以兼容的關(guān)鍵機(jī)理，并創(chuàng)新性地提出“三維鈣鈦礦異質(zhì)結(jié)”材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，成功制備出高性能純紅鈣鈦礦LED器件。相關(guān)成果于北京時(shí)間5月7日在線發(fā)表于國際學(xué)術(shù)期刊《自然》，標(biāo)志著我國在鈣鈦礦顯示技術(shù)領(lǐng)域邁出了重要一步。 技術(shù)“拍片”破解性能瓶頸 鈣鈦礦材料憑借高載流子遷移率、高色彩純度及廣色域等優(yōu)勢，成為下一代發(fā)光顯示技術(shù)的核心候選材料。然而，純紅光鈣鈦礦LED在高亮度條件下效率急劇下降的難題長期制約其應(yīng)用發(fā)展。針對(duì)這一瓶頸，樊逢佳團(tuán)隊(duì)利用自主研發(fā)的EETA技術(shù)，首次實(shí)現(xiàn)了對(duì)LED內(nèi)部電子-空穴動(dòng)態(tài)行為的原位觀測，發(fā)現(xiàn)“空穴泄漏至電子傳輸層”是導(dǎo)致效率滾降的核心原因。該技術(shù)猶如為LED“拍片子”，通過捕捉微觀尺度下的電荷輸運(yùn)路徑，精準(zhǔn)定位了性能提升的突破口。 三維異質(zhì)結(jié)構(gòu)建“寬帶隙水壩” 針對(duì)上述問題，姚宏斌團(tuán)隊(duì)提出“三維鈣鈦礦異質(zhì)結(jié)”創(chuàng)新方案。研究團(tuán)隊(duì)在鈣鈦礦晶格中精準(zhǔn)插入有機(jī)分子（如羧基、氨基及磺酰基修飾基團(tuán)），誘導(dǎo)部分晶格有序膨脹，形成具有高帶隙的“寬帶隙能壘”。這一結(jié)構(gòu)如同在發(fā)光層與電子傳輸層之間建起“水壩”，既有效阻隔了空穴的逃逸，又維持了載流子的高遷移率，實(shí)現(xiàn)了載流子的高效限域。林岳團(tuán)隊(duì)通過球差電鏡技術(shù)確認(rèn)了異質(zhì)結(jié)晶格的均勻性，胡偉團(tuán)隊(duì)則通過理論計(jì)算優(yōu)化了分子設(shè)計(jì)，從結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性與功能協(xié)同性雙重維度保障了材料的可靠性。 創(chuàng)紀(jì)錄性能領(lǐng)跑國際 測試結(jié)果顯示，基于三維鈣鈦礦異質(zhì)結(jié)的純紅光LED展現(xiàn)出卓越性能：**峰值外量子效率（EQE）高達(dá)24.2%，媲美頂級(jí)有機(jī)發(fā)光二極管（OLED）水平；最大亮度突破24600坎德拉/平方米（cd/m²），較此前同類器件提升三倍；在高達(dá)22670 cd/m²的亮度下，仍保持超過10%的EQE，顯著優(yōu)于現(xiàn)有報(bào)道。這一成果打破了純紅光LED高亮度與高效率難以兼得的技術(shù)桎梏，為其在高清顯示領(lǐng)域的應(yīng)用鋪平了道路。 
三維異質(zhì)結(jié)CsPbI3-xBrx基純紅LED的性能 產(chǎn)學(xué)研協(xié)同助力成果轉(zhuǎn)化 此項(xiàng)研究由多個(gè)課題組緊密協(xié)作完成，其中，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院宋永慧、李波，物理學(xué)院王子健、臺(tái)曉琳等共同參與攻關(guān)，并得到了杜江峰院士、理化科學(xué)實(shí)驗(yàn)中心及國家自然科學(xué)基金委等支持。研究團(tuán)隊(duì)表示，三維異質(zhì)結(jié)設(shè)計(jì)策略為鈣鈦礦材料的功能優(yōu)化提供了全新思路，未來有望拓展至其他光電器件領(lǐng)域，推動(dòng)相關(guān)技術(shù)迭代升級(jí)。 鈣鈦礦LED技術(shù)的突破，不僅彰顯了中國科學(xué)家在新型半導(dǎo)體材料領(lǐng)域的原創(chuàng)實(shí)力，更為全球顯示產(chǎn)業(yè)的技術(shù)革新注入強(qiáng)勁動(dòng)力。 |
