南科大團(tuán)隊(duì)在鈣鈦礦發(fā)光二極管領(lǐng)域取得研究進(jìn)展

近期，南方科技大學(xué)電子與電氣工程系（下簡(jiǎn)稱“電子系”）副教授王愷課題組在鈣鈦礦發(fā)光二極管領(lǐng)域取得系列研究進(jìn)展，先后在信息材料和光學(xué)領(lǐng)域高水平期刊Advanced Materials，ACS Energy Letters，Communications Materials， Optics Express累計(jì)發(fā)表4篇論文。

鈣鈦礦發(fā)光二極管（Perovskite Light-Emitting Diode， PeLED）是用鈣鈦礦材料作為發(fā)光層進(jìn)行電光轉(zhuǎn)換的器件。相比其它發(fā)光材料，鈣鈦礦具有發(fā)光峰窄、色域廣、波長(zhǎng)易調(diào)、制備方法靈活兼顧低成本等特點(diǎn)，因而PeLED在顯示領(lǐng)域極具應(yīng)用前景。

得益于準(zhǔn)二維鈣鈦礦獨(dú)特的多量子阱結(jié)構(gòu)，近年來基于準(zhǔn)二維鈣鈦礦制備的藍(lán)光PeLED引起了廣泛的關(guān)注。然而傳統(tǒng)的準(zhǔn)二維鈣鈦礦相分布較寬，尤其是大量低階相組分（n=1， 2），阻礙了鈣鈦礦相之間有效的能量傳遞，導(dǎo)致較低的器件發(fā)光性能。此外，鈣鈦礦在結(jié)晶成膜的過程中會(huì)不可避免的產(chǎn)生一些缺陷態(tài)，使得電子-空穴對(duì)的非輻射復(fù)合幾率上升，進(jìn)一步制約著器件性能的提升。

在發(fā)表于ACS Energy Letters的研究中，課題組提出了準(zhǔn)二維鈣鈦礦與二維鈣鈦礦結(jié)合的方法，發(fā)現(xiàn)雙配體制備的準(zhǔn)二維鈣鈦礦可以有效抑制低階相鈣鈦礦的生長(zhǎng)，提高了鈣鈦礦的相純度，從而有效改善了鈣鈦礦相之間的能量傳遞，并實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的電致發(fā)光峰位。與此同時(shí)，研究還發(fā)現(xiàn)過量的PEABr可以填補(bǔ)鈣鈦礦結(jié)晶過程中產(chǎn)生的離子空位，降低鈣鈦礦的缺陷態(tài)密度。最終，基于鈣鈦礦相分布調(diào)節(jié)以及缺陷鈍化的策略制備出高效（EQE=7.51%）的鈣鈦礦藍(lán)光器件，比對(duì)照樣PeLED（EQE=3.46%）提高了117%。課題組訪問博士后任振偉為該論文第一作者，王愷、南科大電子系教授陳銳和香港大學(xué)教授Wallace C. H. Choy為共同通訊作者。研究工作得到了南科大電子系講席教授孫小衛(wèi)的大力支持。

圖 1. PeLED器件結(jié)構(gòu)與性能，以及PeLED在恒定電流驅(qū)動(dòng)下電致發(fā)光光譜（ACS Energy Lett. 2020， 5， 2569）

雖然通過提高準(zhǔn)二維鈣鈦礦的相純度可以提高相間能量傳遞過程，但是基于單一官能團(tuán)（有機(jī)胺離子）制備的準(zhǔn)二維鈣鈦礦，有機(jī)鏈之間的堆疊使得不同相之間存在范德華力，從而使得相之間不可避免地產(chǎn)生范德華間隙，制約著能量更加有效地傳遞。在發(fā)表于Advanced Materials的研究論文中，課題組在準(zhǔn)二維鈣鈦礦中引入含有雙官能團(tuán)（氨基和羧基）的配體，促進(jìn)了不同鈣鈦礦相間的耦合作用，從而有效提高了鈣鈦礦相間的能量傳遞，顯著提升器件性能。研究結(jié)果表明，基于ABABr配體修飾的藍(lán)光PeLED獲得了超過10% 的外量子效率（EQE=10.11%），比未修飾樣PeLED（EQE=7.07%）提高了40%，相應(yīng)地器件工作壽命也從32.1 min提高到81.3 min，使得器件性能位于目前藍(lán)光PeLED報(bào)道的最高性能之列。課題組訪問博士后任振偉為該論文第一作者，王愷、陳銳和香港大學(xué)Wallace C. H. Choy為共同通訊作者。

圖2. 準(zhǔn)二維鈣鈦礦層間相互作用，藍(lán)光PeLED電致發(fā)光CIE坐標(biāo)及其器件性能（Adv. Mater. 2020， 2005570）

同時(shí)，在鈣鈦礦發(fā)光二極管中，還存在電子注入過剩、空穴注入不足的問題。過剩的電子容易在界面積累，引發(fā)激子猝滅等問題，不利于器件性能提高。因此，增強(qiáng)器件中空穴的注入，促進(jìn)載流子的注入平衡，對(duì)于提高PeLED性能十分必要。在發(fā)表于Communications Materials的研究成果，課題組提出了一種基于電偶極層的空穴注入增強(qiáng)策略。首先，通過引入電荷輸運(yùn)的跳躍模型分析，研究團(tuán)隊(duì)證實(shí)了介于空穴注入層與空穴傳輸層之間的電偶極層對(duì)空穴注入的增強(qiáng)作用。而MoO3具備深能級(jí)特性，極易與相鄰空穴注入層及空穴傳輸層產(chǎn)生電荷轉(zhuǎn)移，從而形成大量電偶極子，極大增強(qiáng)空穴注入速率。器件內(nèi)部的電場(chǎng)分布、載流子密度分布和復(fù)合速率分布的仿真計(jì)算結(jié)果從理論上證明了MoO3電偶極層對(duì)空穴注入的增強(qiáng)效果。器件的低頻電容-電壓特性分析結(jié)果也驗(yàn)證了這一結(jié)論。在理論分析與仿真計(jì)算的基礎(chǔ)上，課題組基于MoO3電偶極層制備出的綠光PeLED外量子效率從8.7%顯著提升至16.8%，且電流效率高達(dá)72.7cd A-1，電流效率是已知同類器件中的最高值。課題組2017級(jí)南科大-港大聯(lián)合培養(yǎng)博士生肖翔天和2019級(jí)南科大-新加坡國(guó)大聯(lián)合培養(yǎng)博士生葉泰康為該論文共同第一作者，王愷和Wallace C. H. Choy為共同通訊作者。研究工作得到了孫小衛(wèi)的大力支持。

圖3. （a）電偶極層結(jié)構(gòu)示意圖；（b）器件載流子密度分布；（c）器件內(nèi)電場(chǎng)分布；（d）對(duì)照組器件復(fù)合速率分布；（e）引入MoO3電偶極層后器件復(fù)合速率分布；（f）外量子效率-電流密度特性曲線；（g）電流效率-電流密度特性曲線；（h）電容-電壓特性曲線。（Communications Materials 2020， 1， 81）

較高工作溫度會(huì)對(duì)QLED/PeLED壽命產(chǎn)生嚴(yán)重影響，因此課題組進(jìn)一步研究了不同因素對(duì)QLED/PeLED工作溫度的影響。在發(fā)表于Optics Express的工作中，課題組建立了得到實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的QLED/PeLED熱學(xué)模型，系統(tǒng)地分析了電光轉(zhuǎn)換效率、工作電壓、電流密度、有效工作面積、襯底尺寸、襯底材料以及環(huán)境條件等各種不同因素對(duì)器件工作溫度的影響規(guī)律，明晰了處于安全工作溫度的條件邊界，為發(fā)展高穩(wěn)定性QLED/PeLED提供了有效指導(dǎo)。課題組2018級(jí)南科大-澳大聯(lián)合培養(yǎng)博士生張?zhí)扃鶠樵撜撐牡牡谝蛔髡?，王愷和澳門大學(xué)副教授邢貴川為共同通訊作者。

圖4. QLED/PeLED中：（a）電能轉(zhuǎn)化為光能與熱能的示意圖；（b）實(shí)際工作溫度和 （c）在同等工作條件下仿真的溫度結(jié)果；（d）-（i）不同影響因素對(duì)工作溫度的影響。（Opt. Express. 2020， 28， 34167）

以上研究還得到了孫小衛(wèi)、微電子學(xué)院副教授汪飛、蘇州大學(xué)教授尹萬健、華中科技大學(xué)教授羅小兵、香港科技大學(xué)教授Kam Sing Wong、香港中文大學(xué)助理教授路新慧和南方科技大學(xué)分析測(cè)試中心，以及國(guó)家自然基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、廣東省自然科學(xué)杰出青年基金等項(xiàng)目和廣東省普通高校量子點(diǎn)先進(jìn)顯示與照明重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)的支持。

責(zé)任編輯：PSY