近日，由西北工業(yè)大學(xué)柔性電子研究院、柔性電子材料與器件工業(yè)和信息化部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的黃維院士與來自南京工業(yè)大學(xué)海外人才緩沖基地(先進(jìn)材料研究院)的王建浦教授帶領(lǐng)的IFE和IAM團(tuán)隊(duì)在鈣鈦礦發(fā)光二極管(LED)領(lǐng)域再次取得重大突破。他們在世界上首次通過自發(fā)形成的具有亞微米尺度的離散型鈣鈦礦，使LED的光提取效率得到大幅度提升，在低成本、高亮度、大面積LED領(lǐng)域展現(xiàn)出獨(dú)特的應(yīng)用潛力，相關(guān)成果于10月11日發(fā)表在國際頂尖學(xué)術(shù)刊物——Nature(《自然》)上。
LED能夠?qū)㈦娔苻D(zhuǎn)成光能，被稱為第四代照明光源或綠色光源，在顯示與照明領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，具有廣闊的市場前景以及巨大的市場價值。但是，目前平面結(jié)構(gòu)的LED、尤其是有機(jī)發(fā)光二極管(OLED)的發(fā)光效率還比較低，原因在于除了約20%-30%的光子能通過折射離開器件外，其他光子都被限制在器件中，因此科學(xué)家們通常采用光提取技術(shù)來提高LED的出光效率，然而該方法需要增加圖案化光柵等特殊結(jié)構(gòu)，并且成本高、制備工藝復(fù)雜，往往還會造成LED發(fā)光光譜和出光方向的改變，從而影響發(fā)光效率。
針對這一世界性的重大科學(xué)難題，黃維院士以及王建浦教授所帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)，通過一種簡單的低溫溶液法，實(shí)現(xiàn)了由一層非連續(xù)、不規(guī)則分布的鈣鈦礦晶粒和嵌入在鈣鈦礦晶粒之間的低折射率有機(jī)絕緣層組成的發(fā)光層，進(jìn)而大幅度地提高了LED的光提取效率。據(jù)南工IAM團(tuán)隊(duì)學(xué)術(shù)帶頭人、該研究主要負(fù)責(zé)人、南工先進(jìn)材料研究院常務(wù)副院長王建浦教授介紹，使用該方法制備的LED器件外量子效率達(dá)到20.7%，在100 mA cm-2的電流密度下能量轉(zhuǎn)化效率達(dá)到12%。此外，通過與浙江大學(xué)田鶴教授、戴道鋅教授團(tuán)隊(duì)之間的合作，他們發(fā)現(xiàn)該方法形成的非周期性結(jié)構(gòu)可以將LED光提取效率提高10個百分點(diǎn)。
圖1 鈣鈦礦LED的制備與亞微米結(jié)構(gòu)表征
黃維院士告訴記者，IFE與IAM團(tuán)隊(duì)作為國際上鈣鈦礦發(fā)光領(lǐng)域的開拓者之一，致力于解決鈣鈦礦發(fā)光器件中存在的效率和穩(wěn)定性問題，繼開展“鈣鈦礦維度調(diào)控實(shí)現(xiàn)高效發(fā)光”研究以來，此項(xiàng)研究成果再次實(shí)現(xiàn)了鈣鈦礦LED發(fā)光領(lǐng)域的重大突破，與目前市場上的OLED相比，所獲得的器件效率大體一致，甚至在高亮度條件下的能量轉(zhuǎn)化效率優(yōu)于OLED，從而展現(xiàn)出非常廣闊的應(yīng)用前景。
圖2 鈣鈦礦LED的光電特性
相關(guān)研究工作以“Perovskite light-emitting diodes based on spontaneously formed submicrometre-scale structures”為題于Nature雜志在線發(fā)表，黃維院士為該論文的共同通訊作者。以上研究工作得到國家重大科學(xué)研究計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金委員會杰出青年科學(xué)基金項(xiàng)目等資助。
時隔一個多月，該團(tuán)隊(duì)再次在Nature發(fā)表原創(chuàng)性成果。2014年以來，黃維院士領(lǐng)銜的創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)已相繼在《自然》(Nature)《自然.材料》(Nature.Materials)《自然.納米技術(shù)》(Nature Nanotechnology)《自然.光子學(xué)》(Nature Photonics)和《自然.通訊》(Nature Communications)等國際頂尖學(xué)術(shù)期刊上發(fā)表一系列重要學(xué)術(shù)成果。
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