原標題：打破世界紀錄！我國鈣鈦礦發光二極管外量子效率突破20%

交匯點訊“利用低溫溶液法，在鈣鈦礦發光層設計上提出了新思路，將鈣鈦礦led外量子效率提高到20.7%，較國際同行提升了近8個百分點。”由南京工業大學海外人才緩沖基地(先進材料研究院)黃維院士、王建浦教授所帶領的研究團隊，在鈣鈦礦發光二極管(led)方面的研究取得突破性進展，研究成果10月11日發表在國際頂級雜志《自然》上。

眾所周知，被稱為第四代照明光源或綠色光源的led是一種能夠將電能轉化為光能的半導體電子元件。鈣鈦礦是一種不僅能用來發電，還能用來發光的熱門材料，具有制備成本低、熒光量子效率高、色純度高且顏色可調等特性。近年來興起的鈣鈦礦發光二極管更是兼具無機led和有機發光二極管oled的優勢，具有低能耗、高亮度、大尺寸顯示與照明等特性，在日常生活和生產中具有廣泛的應用前景。

探究提高led“出光效率”的突破口

“目前平面結構的led，尤其是有機發光二極管(oled)的發光效率還比較低，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。”該項研究成果主要完成人、南京工業大學先進材料研究院常務副院長王建浦介紹說，提高led的出光效率是科研工作者一直以來為之努力的方向。據介紹，科學家們通常采用光提取技術提高出光率，但該方法需要增加圖案化光柵等特殊結構，成本高、制備工藝復雜，而且往往還會造成led發光光譜和出光方向改變，從而影響發光效率。

“對于長期從事鈣鈦礦led研究的科學家們來說，只有平整、覆蓋率高、無明顯孔洞的鈣鈦礦薄膜才是實現高效率器件的基礎。”該研究負責人、中國科學院院士黃維表示。為了破解這一世界性重大科學難題，黃維院士、王建浦教授帶領團隊進行了數年研究，繼2016年提出鈣鈦礦維度調控創造鈣鈦礦led效率記錄后，又于近日提出了利用低溫溶液法進行鈣鈦礦發光層設計新思路。

氨基酸添加劑引入鈣鈦礦前驅體溶液筑就光柵

“我們發現當鈣鈦礦晶粒像一個個麻將牌，互不相連且不規則地分布在襯底表面時，可以獲得外量子效率達到20.7%的近紅外鈣鈦礦發光二極管。“王建浦介紹，與國際同行獲得的13%外量子效率相比，提高了將近8個百分點。通過與浙江大學田鶴教授、戴道鋅教授團隊合作，他們發現這種鈣鈦礦發光層是由分散的鈣鈦礦晶粒和嵌入在晶粒之間的一層8納米厚的低折射率有機絕緣層組成，并且這種結構可以進一步使器件頂電極形成高低起伏的褶皺結構，從而有效提升器件的出光效率。

黃維院士進一步介紹說，這種特殊的結構就像oled中的光柵結構一樣，可以有效提升器件出光效率，但它又僅僅是通過在鈣鈦礦前驅體溶液中加入一種氨基酸添加劑自發形成的，這種添加劑一方面可以和底層襯底結合形成一層有機絕緣層，另一方面可以誘導鈣鈦礦結晶形成低缺陷密度的高質量晶體，從而實現高效率發光。

為進一步推進鈣鈦礦led產業化提供新路徑

“我們的研究主要有兩大亮點，一是自組裝實現低缺陷、亞微米結構的鈣鈦礦薄膜；二是鈣鈦發光二極管外量子效率可達20.7%，突破了之前獲得的13%外量子效率。”王建浦說。通過stem的電子斷層掃描技術和eds元素分析，發現在8納米厚的有機層中鑲嵌著自發形成的亞微米級鈣鈦礦結構，有效避免了led由于鈣鈦礦低覆蓋度造成的電流泄露。

高達20.7%的近紅外鈣鈦礦led，器件輻照度達到390 w sr-1m-2，并且在100 ma cm-2的超大電流密度下持續工作20個小時后效率才降低一半，性能遠超目前熱門的相近發光波段的oled，這表明鈣鈦礦led能夠高效率、高亮度地工作。而且由于制備工藝簡單，可以輕松制成超大面積的器件，預示著鈣鈦礦led在光源與顯示領域有著極其廣闊的應用前景。

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