近日，中國(guó)科學(xué)院甯波材料技術與工程研究所先進(jìn)納米光電材料與器件團隊率先研制出性能(néng)世界領先的高效穩定鈣钛礦發(fā)光二極管（LED），從根本上闡明了鈣钛礦材料不穩定的根源，解決了自誕生以來就一直困擾鈣钛礦發(fā)光二極管的運行穩定性問題，爲鈣钛礦材料在發(fā)光顯示領域的産業化指明了方向(xiàng)。相關論文于2月5日發(fā)表在國(guó)際頂級學(xué)術期刊《自然·光子學(xué)》（Nature Photonics）上。
鈣钛礦材料是一類與天然钛酸鈣礦石（主要成(chéng)分爲CaTiO3）具有相同晶體結構的材料，是目前最具發(fā)展前景的光電材料之一，具有光電性能(néng)優異、制備成(chéng)本低等優點。與現有的有機發(fā)光二極管（OLED）技術相比，鈣钛礦發(fā)光二極管具有更窄的發(fā)光光譜和更好(hǎo)的色純度，可滿足下一代高清顯示技術Rec.2020國(guó)際标準的要求，大大改善觀衆的觀看體驗。因此，鈣钛礦被(bèi)認爲是下一代發(fā)光顯示技術最有力的競争者之一。然而，長(cháng)期以來，盡管在鈣钛礦發(fā)光二極管的效率方面(miàn)取得了重大進(jìn)展，但工作穩定性低的問題仍是鈣钛礦發(fā)光二極管實際應用的主要障礙，尤其是目前人們對(duì)于引發(fā)鈣钛礦材料不穩定性的根本來源的理解仍十分有限，這(zhè)無疑阻礙了鈣钛礦發(fā)光二極管性能(néng)的進(jìn)一步提升和商業化進(jìn)程。
因此，甯波材料所先進(jìn)納米光電材料與器件團隊從發(fā)光顯示出發(fā)，立足于鈣钛礦材料不穩定性來源這(zhè)一關鍵科學(xué)問題，對(duì)具有代表性的準二維鈣钛礦材料内部的精細納米結構進(jìn)行了深入分析，最終确定了鈣钛礦内部較薄的納米片狀結構（隻有一到兩(liǎng)層鉛離子）正是誘導鈣钛礦失穩的關鍵來源。這(zhè)些較薄納米片結構的形成(chéng)源于快速而不可控的結晶過(guò)程，其本身結晶質量較差、缺陷較多、容易發(fā)生分解；而且，它們的分解會進(jìn)一步誘導整個鈣钛礦薄膜的分解，大大降低鈣钛礦材料整體的穩定性，因此，有必要開(kāi)發(fā)精确去除這(zhè)些薄納米片的有效方法。遺憾的是，由于薄納米片的尺度在納米級，且與其他結構緊密堆積，去除這(zhè)些薄納米片的難度不亞于從茫茫森林中精确去除某種(zhǒng)特定形狀的樹葉，傳統的宏觀處理方法難以奏效。
爲解決這(zhè)一難題，團隊從利用篩網可以篩分不同大小沙粒的過(guò)程中得到啓發(fā)，創造性地開(kāi)發(fā)出“溶劑篩”方法，實現了對(duì)不同厚度納米片的精确篩分，有效去除薄納米片相，大大提高了最終鈣钛礦材料的穩定性和發(fā)光性能(néng)。該團隊開(kāi)發(fā)的“溶劑篩”是極性和非極性溶劑的組合。就像我們可以通過(guò)調節篩子上網眼的大小控制通過(guò)篩子的沙粒大小一樣(yàng)，研究團隊利用較薄的納米片在極性溶劑中的溶解度比其他成(chéng)分高這(zhè)一特點，通過(guò)精确調節極性溶劑的比例來調整篩分過(guò)程的強度，使其隻溶解具有一到兩(liǎng)層鉛離子的薄納米片，而不傷害到鈣钛礦材料中的其他結構，其效果如圖所示。這(zhè)種(zhǒng)方法不僅顯著提高了鈣钛礦材料的發(fā)光性能(néng)和穩定性，而且極大擴展了操控鈣钛礦精細納米結構的工具箱，爲未來開(kāi)發(fā)具有獨特納米結構和優異發(fā)光性能(néng)的鈣钛礦材料鋪平了道(dào)路。
通過(guò)“溶劑篩”方法去除掉薄納米片後(hòu)，鈣钛礦材料展現出驚人的穩定性，不僅可以在濕潤空氣中保持發(fā)光性能(néng)超過(guò)100天，制備的鈣钛礦發(fā)光二極管更是展現出在常規使用條件下（100cd/m2亮度）超過(guò)5萬小時（5.7年）的運行壽命，較處理之前提升了近30倍。這(zhè)一運行壽命也是目前所有綠光鈣钛礦發(fā)光二極管的最高值，達到了實現商業化應用的要求。同時，鈣钛礦發(fā)光二極管的外量子效率也超過(guò)了29.5%，也是目前無光提取設計的鈣钛礦發(fā)光二極管效率的記錄，顯著提高了電轉化爲光的效率，簡化了散熱設計的需求。這(zhè)項研究結果無疑爲鈣钛礦材料在發(fā)光顯示領域的應用奠定了堅實的基礎，加快了鈣钛礦發(fā)光顯示器件走入千家萬戶的進(jìn)程。
這(zhè)一研究成(chéng)果以“Phase Dimensions Resolving of Efficient and Stable Perovskite Light Emitting Diodes at High Brightness”爲題發(fā)布在《自然·光子學(xué)》(Nature Photonics)上（論文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41566-023-01372-0），甯波材料所爲第一完成(chéng)單位和通訊單位，甯波材料所和甯波諾丁漢大學(xué)2020級聯合培養博士生丁碩爲第一作者，甯波材料所先進(jìn)納米光電材料與器件團隊錢磊研究員和向(xiàng)超宇研究員爲通訊作者。
（左）“溶劑篩”方法的原理示意圖；（右）“溶劑篩”方法刷新了鈣钛礦發(fā)光二極管的性能(néng)紀錄
（納米實驗室 丁碩）
