理工大學(xué)設(shè)計出不需要熒光粉涂層實現(xiàn)白光發(fā)射的WLED

目前，電力照明功耗已占全球功耗的15%，從而導(dǎo)致高效能、低成本的照明技術(shù)開發(fā)極其重要。而白色發(fā)光二極管（WLEDs）恰憑借其自身高壽命、高效率的優(yōu)勢一躍成為當(dāng)前照明和顯示行業(yè)的焦點，其制造方式主要是借助RGB LED陣列或者熒光粉涂層的藍(lán)色LED實現(xiàn)，因此導(dǎo)致現(xiàn)有的WLED技術(shù)比較依賴于藍(lán)色LED的外延晶片（如GaN外延晶片），在一定程度上增加了制造流程的成本。

為了進(jìn)一步降低WLED的制造成本，南京理工大學(xué)的曾海波教授團(tuán)隊和華盛頓大學(xué)的David Ginger教授團(tuán)隊合作，研究人員基于溶液處理的單層異相鹵化物鈣鈦礦設(shè)計并制備了一種WLED，該LED不僅不需要熒光粉涂層實現(xiàn)白光發(fā)射，而且具備較大的寬帶發(fā)射層和極高的峰值亮度，并且隨著該制備方法的繼續(xù)研究，其效率和亮度還能進(jìn)一步得到提高。

鹵化物鈣鈦礦由于具有較高的光致發(fā)光量子產(chǎn)率(PLQY)、優(yōu)異的光電性能和低成本的溶液處理等優(yōu)點，而被眾多科研人員所青睞，試圖將其作為WLED的發(fā)光材料。

通過大量的研究和優(yōu)化，目前鈣鈦礦型綠色LED和紅色LED的外部量子效率（EQE）已經(jīng)超過了20%，但在藍(lán)色LED的開發(fā)中卻一直未有所突破，從而阻礙了鈣鈦礦型WLED的實現(xiàn)。

此外，鈣鈦礦材料具有很強的載流子-聲子和激子-聲子耦合，其中載流子和激子在晶格畸變中“自陷“效應(yīng)，導(dǎo)致在整個可見光光譜范圍都具有良好的寬帶發(fā)射效應(yīng)，因此也可以將其直接應(yīng)用于WLED的發(fā)光材料中。

雖然目前鈣鈦礦材料中自陷態(tài)激子的白色光致發(fā)光(PL)的發(fā)展很快，但由于該材料的電荷傳輸特性較差，在一定程度上降低了其白色電致發(fā)光(EL)的效率，也使得鈣鈦礦型WLED的實現(xiàn)遭遇了瓶頸。

為了解決這一問題，曾海波等人將同時具有α相和δ相碘化銫鉛（α-CsPbI3和δ-CsPbI3）材料作為鈣鈦礦型WLED有效注入和復(fù)合載流子的發(fā)射層，如圖1（a）所示。這種混合相材料可以將α-CsPbI3的高電荷傳輸特性和δ-CsPbI3寬帶白色自陷發(fā)射特性相結(jié)合，從而彌補鈣鈦礦材料中電荷傳輸特性較差的問題。

圖1 （a）鈣鈦礦型WLED結(jié)構(gòu)示意圖；（b）工作狀態(tài)下的WLED實物圖。

圖源：Nature Photonics, 2020: 1-7.Fig1（a）、（b）

在實際工作時，α-CsPbI3負(fù)責(zé)電荷的注入和傳輸，隨后由δ-CsPbI3負(fù)責(zé)改進(jìn)白色EL，并最終在α/δ-異相界面處實現(xiàn)兩相的電荷注入平衡，從而賦予鈣鈦礦型WLED較高的效率和亮度，其亮度可達(dá)12,200cd·m?2，EQE可達(dá)6.5%，如圖1（b）所示。

此外通過調(diào)整退火工藝，如圖2所示，在398K以下α-CsPbI3會向δ-CsPbI3產(chǎn)生緩慢相變，此時可以根據(jù)目標(biāo)α/δ的相位比選擇合適的溫度以停止相變過程，從而對鈣鈦礦型WLED的色溫實現(xiàn)自由調(diào)控的特性。

圖2 CsPbI3樣品在加熱/冷卻條件下的相變和α/δ比的變化示意圖

圖源：Nature Photonics, 2020: 1-7.Fig2（a）

這項工作為基于溶液處理的鹵化物鈣鈦礦型WLED提供了一種全新的思路和方法，并可通過提高控制α相和δ相域的大小和連通性的方式實現(xiàn)WLED穩(wěn)定性及其他性能的改善，從而滿足低成本、寬帶發(fā)射的商業(yè)化WLED要求。

原文標(biāo)題：異相鈣鈦礦型白光LED

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