南京大學在高效穩(wěn)定白光LED研究領(lǐng)域獲重要進展

藍光發(fā)光二極管（LED）的發(fā)明，推動了當代照明和顯示產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，被授予2014年諾貝爾物理學獎。享有“第四代照明光源”美譽的固體白光LED，與傳統(tǒng)白熾燈、熒光燈和高壓氣體放電燈相比，具有光效高、節(jié)能環(huán)保、壽命超長和安全可靠等優(yōu)點，被認為是21世紀新一代的環(huán)保節(jié)能光源。

然而，目前實現(xiàn)白光LED照明的主要途徑是利用藍光LED對稀土發(fā)光材料進行熒光激發(fā)，紅綠藍混光后產(chǎn)生白光。稀土發(fā)光材料具有5d-4f及4f-4f光譜特性，由于其光吸收截面小，摩爾消光系數(shù)小，在白光照明和顯示背光應(yīng)用中往往帶來“藍光溢出”的問題，造成廣大消費者，特別是青少年的嚴重近視和眼底黃斑病變，這引起了全社會的廣泛關(guān)注。

近年來，鉛鹵鈣鈦礦作為一種新型發(fā)光材料，擁有熒光光譜可調(diào)、半峰寬度窄、熒光量子產(chǎn)率高、缺陷容忍度高，及液相合成簡單低成本等特性，在太陽能電池、發(fā)光二極管和顯示器件等應(yīng)用領(lǐng)域具有巨大潛力。但其離子特性（遇到光、熱、水、氧分解）和鉛的毒性，限制了其實際應(yīng)用。因此，尋找一種能實際應(yīng)用于LED的環(huán)保、穩(wěn)定、高效的鈣鈦礦材料意義非常。

南京大學現(xiàn)代工程與應(yīng)用科學學院鄧正濤教授團隊多年來一直致力于新型無機發(fā)光材料的基礎(chǔ)研究和產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。特別是在白光LED和廣色域顯示器件方向，針對發(fā)光材料在實際應(yīng)用中的瓶頸問題，在發(fā)光材料的性能提升和穩(wěn)定性方面取得了一系列進展，如：Angew. Chem., Int. Ed. 2020, 59, 7738；Mater. Adv. 2021, 2, 1320；Chem. Commun. 2021, DOI:10.1039/D0CC08253H；J. Mater. Chem. C 2021 DIO: 10.1039/D0TC05685E。

最近，該課題組采用一種室溫快速結(jié)晶的方法，制備了具有高光致發(fā)光量子效率和高穩(wěn)定性的無鉛錳鹵化物鈣鈦礦材料，并應(yīng)用于白光LED器件。

《Advanced Functional Materials》論文截圖和TOC示意圖
圖片來源：南京大學

該團隊采用一種室溫快速液相合成方法，大規(guī)模制備了兩種有機無機雜化無鉛吡啶錳鹵化物鈣鈦礦。該四面體配位的（C5H6N）2MnBr4發(fā)射峰位在521 nm, 具有高達95%的熒光量子產(chǎn)率、窄半峰寬和優(yōu)異的穩(wěn)定性，而八面體配位的C5H6NMnCl3表現(xiàn)為648 nm的紅光發(fā)射，量子產(chǎn)率為40%。

相比于全無機的CsPbX3 （X=Cl, Br）鈣鈦礦，其不穩(wěn)定性和毒性都得到了有效解決。通過環(huán)境穩(wěn)定性測試，紫外光老化測試和熱穩(wěn)定性測試，吡啶錳鹵化物鈣鈦礦仍然保持良好的性能。將綠光發(fā)射的（C5H6N）2MnBr4熒光粉與紅光發(fā)射的K2SiF6:Mn4+ 熒光粉混合后制備的白光LED器件在驅(qū)動電流為20mA時，相關(guān)參數(shù)為光效93.9 lm/W。

該白光LED在大氣環(huán)境中經(jīng)過410 min持續(xù)工作測試發(fā)射強度沒有出現(xiàn)衰減現(xiàn)象，表現(xiàn)出優(yōu)異的器件穩(wěn)定性。調(diào)節(jié)（C5H6N）2MnBr4和C5H6NMnCl3熒光粉比例可以得到一系列色坐標連續(xù)可調(diào)的暖白光LED，同時將其應(yīng)用于背光顯示后，實現(xiàn)了色坐標接近104%的NTSC 1931色域覆蓋率。該工作將推動基于新型發(fā)光鈣鈦礦材料的低成本LED照明和背光顯示的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。

發(fā)光吡啶錳鹵化物鈣鈦礦材料的制備及在白光LED領(lǐng)域應(yīng)用
圖片來源：南京大學

相關(guān)成果于2021年3月2日以“Stable and Bright Pyridine Manganese Halides for Efficient White Light-Emitting Diodes”為題在國際知名材料學期刊《Advanced Functional Materials》雜志（影響因子：16.836）上在線發(fā)表。南京大學現(xiàn)代工程與應(yīng)用科學學院為論文第一單位；本文通訊作者為現(xiàn)代工程與應(yīng)用科學學院的鄧正濤教授；所指導的博士生胡光才為本論文第一作者。