效率高達(dá)12％！華南理工大學(xué)開發(fā)出高性能白光鈣鈦礦LED

近期，華南理工大學(xué)發(fā)光材料與器件國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的葉軒立教授團(tuán)隊(duì)在國(guó)際頂級(jí)期刊《Joule》上發(fā)表了題為“Utilization of Trapped Optical Modes for White Perovskite Light-Emitting Diodes with Efficiency over 12%”的研究論文。

白光發(fā)光二極管（LED）是照明和顯示應(yīng)用中的重要組成部分，而這兩個(gè)應(yīng)用消耗了大量的電力能源，因此，實(shí)現(xiàn)高效的白光LED對(duì)于節(jié)能減排具有重要意義。經(jīng)過了近幾年的發(fā)展，金屬鹵化鈣鈦礦LED展現(xiàn)出了巨大的潛力，有望成為下一代的發(fā)光技術(shù)。

其中，紅光和綠光鈣鈦礦LED的外量子效率從不足1%迅速提高到超過20%，而藍(lán)光鈣鈦礦LED的效率也超過了12%，但鈣鈦礦白光器件的發(fā)展仍十分緩慢。

此外，基于光學(xué)模擬分析，在傳統(tǒng)的鈣鈦礦LED器件中，超過80%的光子被限制于器件中無法出射，使得鈣鈦礦LED的光取出效率一般小于20%，成為制約其進(jìn)一步發(fā)展的另外一個(gè)關(guān)鍵問題。

針對(duì)上述科學(xué)問題，該團(tuán)隊(duì)提出了一種簡(jiǎn)單有效的方法，來同時(shí)解決鈣鈦礦LED中的光取出效率受限以及白光器件性能低下的問題，即通過合理設(shè)計(jì)多層半透明電極（LiF/Al/Ag/LiF），來將藍(lán)光鈣鈦礦層與紅光鈣鈦礦納米晶層進(jìn)行近場(chǎng)耦合，實(shí)現(xiàn)光取出效率的大幅提高，從而構(gòu)建出高性能的白光鈣鈦礦LED器件。

通常，由于鈣鈦礦發(fā)光層的折射率與有機(jī)界面層的折射率差異較大，在特定角度下會(huì)引起全反射，從而在鈣鈦礦LED器件中誘導(dǎo)產(chǎn)生了光波導(dǎo)模式，使得發(fā)光層發(fā)出的部分光子在器件內(nèi)部反復(fù)振蕩而不能逃逸出器件外部。而在全反射過程中所產(chǎn)生的倏逝波會(huì)繼續(xù)誘導(dǎo)表面等離子極化激元（SPP）模式的產(chǎn)生。

另外，襯底模式以及寄生吸收的存在，都將降低光子傳播至器件外部（空氣端）的概率。幸運(yùn)的是，由全反射和SPP所產(chǎn)生的倏逝場(chǎng)的能量可以在近場(chǎng)范圍內(nèi)穿透到下一層介質(zhì)，這提供了一個(gè)機(jī)會(huì)來利用它們，從而來抑制鈣鈦礦LED中光波導(dǎo)模式和SPP模式，即可通過光子隧道效應(yīng)，倏逝波吸收和SPP吸收三種近場(chǎng)耦合效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)（如下圖所示）。

基于近場(chǎng)光學(xué)耦合的白光鈣鈦礦LED器件設(shè)計(jì)理念和三種近場(chǎng)作用的示意圖
（光子隧道效應(yīng)，倏逝波吸收和SPP吸收），
以及雙色和三色白光的電致發(fā)光光譜和其持續(xù)工作下的CIE

為此，該團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)出“ITO/NiOx/PVK/藍(lán)光鈣鈦礦/TPBi/LiF/Al/Ag/LiF/紅光鈣鈦礦納米晶”多層器件結(jié)構(gòu)，其中紅光層的存在可成功通過上述三種近場(chǎng)耦合效應(yīng)來提取受限于光波導(dǎo)模式和SPP模式的藍(lán)光光子，最終實(shí)現(xiàn)超過50%的光提取效率提升，并同時(shí)利用顏色互補(bǔ)的藍(lán)光和紅光，實(shí)現(xiàn)白光發(fā)射。

基于此策略，該團(tuán)隊(duì)成功制備出分別具有高達(dá)12%和5%外量子效率的高性能雙色和三色白光鈣鈦礦LED，是目前該領(lǐng)域的最新記錄，具有里程碑意義。

此外，除了在鈣鈦礦LED上的應(yīng)用，這一策略還可以推廣到其他類型的白光LED（如：有機(jī)LED，無機(jī)LED和量子點(diǎn)LED等），以提高它們的光取出能力，促進(jìn)整個(gè)白光LED領(lǐng)域的進(jìn)一步發(fā)展。