研究人员通过强化晶格开发出超高效钙钛矿 LED
一个研究小组通过强化钙钛矿晶格和抑制材料固有的低频动力学，开发出了超高效钙钛矿纳米晶体发光二极管（LED）。该项研究成果于7月24日发表在《自然通讯》杂志上。研究团队由首尔国立大学材料科学与工程系的李泰宇教授领导，与宾夕法尼亚大学的 Andrew M. Rappe 教授合作，
钙钛矿是一种由立方体状纳米晶体组成的半导体材料，纳米晶体由有机阳离子、金属阳离子和卤素元素组成。钙钛矿发光材料因其出色的色纯度、可调性和成本效益而备受关注，被视为有前途的下一代发光材料。
然而，在 2014 年之前，钙钛矿主要用于太阳能电池，因为它们发出的光线不够明亮，在室温下无法被看到。尽管存在这一限制，李教授很早就认识到钙钛矿作为下一代发光材料的潜力，并于 2014 年获得了一系列钙钛矿发光材料的基础专利。
此外，2015年，他的团队发表了第一篇研究论文，证明钙钛矿LED的效率从仅仅0.1%提升到8.53%，与磷光OLED的效率相当。这一成果激发了世界各地的研究人员对提高钙钛矿发光效率进行深入而深入的研究。
李教授团队于 2022 年进一步改进了钙钛矿自发光器件，实现了 28.9% 的外部量子效率 (EQE)（接近理论上可实现的最大值）、峰值亮度为 470,000 尼特，使用寿命长达 30,000 小时。在商业化方面，李教授的初创公司 SN Display Co. Ltd. 在 2022 年和 2023 年的 CES（消费电子展）上展示了电视和平板电脑显示器原型，引起了业内人士的极大关注。
然而，研究团队意识到需要解决一个关键挑战：钙钛矿固有的离子性质导致发光效率降低。与传统无机半导体不同，钙钛矿材料由弱离子键组成，其晶格中原子的大幅度位移会引起动态无序。这种动态无序会干扰钙钛矿材料中的辐射复合过程，导致激子解离并降低发光效率。
尽管需要克服这一关键限制，但关于动态无序如何影响钙钛矿的发光特性或通过减少动态无序来提高效率的策略的研究却很少。
(a) 钙钛矿纳米晶体 LED 的电致发光光谱。(b) 钙钛矿纳米晶体 LED 的外部量子效率（高达 26.1%）。(c) 未采用光耦合增强技术的钙钛矿纳米晶体 LED 的 EQE 与 CIEy 坐标图。来源：Nature Communications (2024)。DOI：10.1038/s41467-024-49751-7
李教授团队与美国宾夕法尼亚大学 Rappe 教授和以色列魏茨曼科学研究所 Omer Yaffe 教授合作，提出了一种新颖的机制，通过结合共轭分子多足体 (CMM) 来提高钙钛矿发射体的发光效率。
其机理是，当 CMM 结合到钙钛矿晶格表面时，晶格得到强化，抑制了低频动力学，减少了钙钛矿晶格中的动态无序性，最终提高了钙钛矿材料的发光效率。
一项特别值得注意的成就是实现了 EQE 为 26.1% 的超高效 LED。这一数值在钙钛矿纳米晶体 LED 中属于最高效率之一，尤其重要，因为效率的提高是通过提高材料本身的固有发射效率来实现的，而不是通过设计提高光输出耦合效率的器件结构来实现的。
李教授团队开发的钙钛矿发光体被公认为下一代显示器发光体的巨大潜力。由于绿色在超高清显示器的 Rec. 2020 色彩标准中占比最大，因此实现高色纯度和高效率的绿色发光体对于显示器开发至关重要。
研究团队研发的LED电致发光波长接近Rec.2020标准中的绿原色，这一成果有望大幅加速下一代显示器的商业化。
李教授表示：“这项研究提出了一种基于材料的新方法来克服钙钛矿发光体的固有局限性。我们预计这将对高效、长寿命钙钛矿发光器件的开发和下一代显示器的商业化做出重大贡献。”
拉佩教授表示同意，他说：“我们共同展示了分子在强化钙钛矿和使其成为更好的发光体方面的力量。通过结合分子化学、物理学、力学和光学的力量，我们正在发明新材料，引领我们走向光明而节能的未来。”
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