同日两篇《Nature》!南工大和华侨大学分别在钙钛矿发光二极管(LED)领域取得重大突破

 
       

  10月11日,《Nature》杂志分别发表了南京工业大学华侨大学研究人员在钙钛矿发光二极管(LED)领域的突破性研究成果,同时刊发了一篇《LED technology breaks performance barrier》的新闻评论文章,对这两篇论文进行评述,认为这两篇论文具有里程碑式的意义。

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  一、Nature(《自然》)报道黄维院士、王建浦教授团队钙钛矿发光二极管研究新成果

  近日,由南京工业大学海外人才缓冲基地(先进材料研究院)黄维院士、王建浦教授带领的IAM团队在钙钛矿发光二极管(LED)领域再次取得重大突破。他们在世界上首次通过自发形成的具有亚微米尺度的离散型钙钛矿,使LED的光提取效率得到大幅度提升,在低成本、高亮度、大面积LED领域展现出独特的应用潜力,相关成果于10月11日发表在国际顶尖学术刊物——Nature(《自然》)上。

  LED能够将电能转成光能,被称为第四代照明光源或绿色光源,在显示与照明领域应用广泛,具有广阔的市场前景以及巨大的市场价值。但是,目前平面结构的LED、尤其是有机发光二极管(OLED)的发光效率还比较低,原因在于除了约20%-30%的光子能通过折射离开器件外,其他光子都被限制在器件中,因此科学家们通常采用光提取技术来提高LED的出光效率,然而该方法需要增加图案化光栅等特殊结构,并且成本高、制备工艺复杂,往往还会造成LED发光光谱和出光方向的改变,从而影响发光效率。

  针对这一世界性的重大科学难题,黄维院士以及王建浦教授所带领的团队,通过一种低温溶液方法,实现了由一层非连续、不规则分布的钙钛矿晶粒和嵌入在钙钛矿晶粒之间的低折射率有机绝缘层组成的发光层,进而大幅度地提高了LED的光提取效率。

  据南京工业大学(简称南工)IAM团队学术带头人、该研究主要负责人、南工先进材料研究院常务副院长王建浦教授介绍,使用该方法制备的LED器件外量子效率达到20.7%,在100 mA cm-2的电流密度下能量转化效率达到12%。此外,通过与浙江大学田鹤教授、戴道锌教授团队之间的合作,他们发现该方法形成的非周期性结构可以将LED光提取效率提高10个百分点。

  黄维院士指出,IFE与IAM团队作为国际上钙钛矿发光领域的开拓者之一,致力于解决钙钛矿发光器件中存在的效率和稳定性问题,继开展“钙钛矿维度调控实现高效发光”研究以来,此项研究成果再次实现了钙钛矿LED发光领域的重大突破,与目前市场上的OLED相比,所获得的器件效率大体一致,甚至在高亮度条件下的能量转化效率优于OLED,从而展现出非常广阔的应用前景。

  北京时间10月11日,国际顶级学术刊物《Nature》在线发表了华侨大学材料科学与工程学院魏展画教授为第一通讯作者、博士生林克斌为第一作者,华侨大学为第一完成单位的研究论文《Perovskite Light-Emitting Diodes with External Quantum Efficiency Exceeding 20 percent》。这标志着华侨大学在基础研究方面取得了重要的进展,在《Nature》上发表研究论文实现了零的突破。()

  此次论文的刊发标志着魏展画教授团队在钙钛矿电致发光领域取得了重大研究进展。论文中,他们提出了一种全新的薄膜制备策略并优化了LED器件结构,制备出了高亮度、高量子转换效率和较好稳定性的钙钛矿LED器件。其中,该钙钛矿LED器件的外量子效率高达20.3%,刷新了世界纪录。

  近几年来,钙钛矿材料在发光领域的潜在应用开始引起人们的广泛关注,但是,受限于钙钛矿薄膜较差的成膜特性以及相对较低的荧光量子效率,其在发光、显示以及激光领域的应用发展一直比较缓慢。

  图(A)单层、叠层和半核壳式结构钙钛矿薄膜示意图,(B)紫外灯下三种钙钛矿薄膜的荧光发光照片,(C)钙钛矿LED器件实物图。

  为了克服上述困难并提高器件电光转换效率,魏教授团队提出了一种全新的薄膜制备策略:组分空间分布管理,通过构建半核壳结构,大幅减少了晶体内的非辐射复合缺陷,提高了钙钛矿薄膜的发光效率;另一方面,通过在发光层和电子传输层间插入PMMA阻挡层,有效地改善了器件内的电子和空穴的注入速度匹配情况。通过上述优化,得到的钙钛矿LED器件的外量子转换效率高、稳定性较好。该研究成果已申请了国家和国际PCT专利。

  据魏展画教授介绍,钙钛矿LED作为平面自发光器件,具有质量轻、厚度薄、视角广、响应速度快、可用于柔性显示、使用温度范围广、构造和制备工艺简单等优点,在屏幕显示(手机、电视、PC、VR和车载设备等)和绿色健康灯光照明(无蓝光伤害)等方面具有广泛的应用前景。

  据了解,新加坡南洋理工大学熊启华教授和加拿大多伦多大学Edward H. Sargent教授为该论文的共同通讯作者。该研究项目还得到了华侨大学中央高校基本科研经费项目(600005-Z16J0038)、福建省一流学科建设引导专项经费(60)和国家自然科学基金项目(U1705256)的支持。

  魏展画教授,2011年7月毕业于厦门大学化学系,取得学士学位;2015年8月毕业于香港科技大学化学系,取得博士学位,其导师为杨世和教授;2015年9月至2016年7月间在新加坡南洋理工大学数理科学学院从事博士后研究,师从熊启华教授;此后,加入华侨大学材料科学与工程学院。其课题组的主要研究方向包括钙钛矿电致发光器件和等,此前他已在《Energy & Environmental Science》《Angewandte Chemie》等期刊上发表研究论文10余篇。

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