鈣鈦礦LED可行性

在太陽能電池中，一種被稱為鈣鈦礦的廉價且容易制造的材料非常擅長將光子轉(zhuǎn)化為電能。如今，鈣鈦礦將派上新的用途，將電子轉(zhuǎn)化為光，其效率堪比手機和平板電視中常見的商用有機發(fā)光二極管（LED）。這種材料將來會有什么作用呢？研究人員上周在《科學(xué)進展》雜志上發(fā)表報告稱，他們已經(jīng)使用一臺3D打印機在全彩顯示器上用鈣鈦礦打印圖案。

英國劍橋大學(xué)物理學(xué)家Richard Friend說：“這是一個了不起的研究結(jié)果，非常鼓舞人心?！盕riend的團隊在2014年研制出第一枚鈣鈦礦LED。這一研究結(jié)果為未來的電腦屏幕和巨型顯示器由這些廉價的晶體物質(zhì)（由普通原材料制造）構(gòu)成帶來了希望。然而，F(xiàn)riend警告說，新的鈣鈦礦顯示器還沒有商業(yè)可行性。

目前半導(dǎo)體LED（包括有機LED）中的材料需要在真空室的高溫下進行處理，從而確保所得到的半導(dǎo)體是純凈的。相比之下，鈣鈦礦只需在室溫下將其化學(xué)成分混合在溶液中即可制備。同時只需要簡單的熱處理便可使它們結(jié)晶。即使鈣鈦礦晶體最終有缺陷，這些缺陷通常也不會破壞材料的發(fā)光功能。

在大多數(shù)鈣鈦礦LED中，夾在發(fā)光材料中間的電極負責(zé)傳遞電荷。當電荷在“三明治”的中心相遇時，電子就會填補這一空缺，并以光子的形式釋放出一點能量。

光子的顏色取決于鈣鈦礦的化學(xué)成分，這使得研究人員可以通過改變鈣鈦礦的配方來調(diào)整光子的顏色。劍橋研究團隊的第一枚鈣鈦礦LED發(fā)出了近紅外、紅色或綠色的光，這取決于它們的構(gòu)成。從那時起，該團隊和其他團隊陸續(xù)制作出全光譜顏色的鈣鈦礦LED。

最早的鈣鈦礦LED僅能將0.76%的電子轉(zhuǎn)化為光子。這是因為穿過材料的電荷被困在組成材料的無數(shù)晶體之間。如今許多團隊已經(jīng)克服了這個障礙。例如，去年年底，F(xiàn)riend的團隊在《自然—光子學(xué)》雜志上報道稱，通過添加一層發(fā)光聚合物，從而引導(dǎo)電荷繞過表面缺陷，他們已經(jīng)制造出了效率為20.1%的紅色鈣鈦礦LED。

加拿大多倫多大學(xué)化學(xué)家Edward Sargent領(lǐng)導(dǎo)的研究團隊去年采用了另一種不同的方法，在鈣鈦礦配方中加入一種添加劑，從而在鈣鈦礦晶體周圍形成結(jié)晶殼。研究人員在《自然》雜志上報告說，這些外殼阻止了表面缺陷捕獲電荷，從而產(chǎn)生了一種綠色鈣鈦礦，其效率為20.3%。這仍然遠遠低于許多無機LED的效率，但對于某些應(yīng)用來說已經(jīng)足夠。

瑞典林雪平大學(xué)物理學(xué)家Feng Gao領(lǐng)導(dǎo)的研究人員在3月25日的《自然—光子學(xué)》網(wǎng)絡(luò)版報道稱，他們開發(fā)了一種方法來解決缺陷問題。研究人員瞄準了鈣鈦礦晶體邊緣的鉛離子捕獲電子的傾向。通過添加一種與鉛結(jié)合的物質(zhì)，他們減少了離子對電子的捕獲，創(chuàng)造了一種近紅外LED，效率為21.6%。

Friend表示，過去5年的成績“相當驚人”。不過，這些鈣鈦礦設(shè)備的壽命都沒有超過50個小時，遠遠低于商業(yè)使用所需的10000小時。Gao說，鈣鈦礦晶體為什么在幾十小時后就會分解還不清楚。但他指出，早期的有機LED壽命也很短。鈣鈦礦太陽能電池制造商通過保護設(shè)備免受空氣和濕度的影響，在很大程度上解決了類似的壽命問題。Gao說：“我很樂觀，這個領(lǐng)域能快速發(fā)展，鈣鈦礦LED也能得到改善?！?/p>

哈佛大學(xué)材料科學(xué)家Jennifer Lewis領(lǐng)導(dǎo)的研究團隊的最新成果，可能會為構(gòu)建顯示器提供新的策略。Lewis和她的同事使用3D打印機在彩色顯示器中排列微小的線狀鈣鈦礦結(jié)構(gòu)。Lewis說，當攜帶納米線的“墨水”通過打印機噴嘴時，剪切力使它們對齊。納米線的共同方向使每個LED發(fā)出的光具有單一的首選振蕩或偏振。

對于他們的原型顯示器，Lewis的團隊并沒有把每一個LED都連接到電極上；相反，研究人員將整個顯示器暴露在紫外線下。就像施加電壓一樣，紫外光將電子踢出它們的正常狀態(tài)，允許它們移動。然后，它們可以與空位重新組合，發(fā)出可見光。但是由于發(fā)出的光是偏振的，Lewis和她的同事需要用偏振濾波器來控制它。

在一個例子中，研究人員使用了3種不同的鈣鈦礦配方來創(chuàng)建顯示器，其中每個像素并排包含一個紅、綠、藍點，每個點的納米線方向偏移60°。通過旋轉(zhuǎn)偏振濾光片，研究人員可以混合顏色或分離單一顏色。

Sargent說，鈣鈦礦LED還面臨很多障礙。但他補充說，“這項工作將跨越未來10年，展示出我們可以做哪些很酷的事情?！?/p>