深圳大学在钙钛矿蓝光LED领域取得新进展,推动实现产业化应用

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10月11日,深圳大学发布消息称,近日该校物理与光电工程学院助理教授黄浦、教授贺廷超、助理教授李贵君联合团队在钙钛矿蓝光LED研究方面取得重要突破,相关成果以“Lattice strain modulation toward efficient blue perovskite light-emitting diodes”为题发表于Science旗下国际顶尖期刊《Science Advances》,深圳大学为第一单位,黄浦、贺廷超、李贵君为论文通讯作者,博士后研究员刘宝星为论文第一作者。研究成果进一步推动钙钛矿蓝光LED实现产业化应用。

据悉,该研究从半导体发光的电子结构角度出发,到设计增强蓝光跃迁的物理模型,再到基于构效关系的理论加实验双重验证,最后实现器件研发和性能调控,为以实际应用为目标导向的材料设计和器件研究提供了一条标准范式。

据介绍,蓝光是自然界中红/绿/蓝三基色不可缺少的组成部分,蓝光材料及其发光二极管(LEDs)在固态照明和平板显示领域发挥着至关重要的作用。近年来,具有高荧光量子产率和高饱和度的卤化物钙钛矿材料凭借其低成本、导电性良好等独特的优势,在固态照明与显示领域展现出广泛的应用前景,是下一代节能照明的理想之选。

目前,绿光、红光和近红外钙钛矿LEDs的外量子效率(EQE)很高,均已突破了20%,并接近商用量子点和有机LEDs的器件性能。然而,作为白光照明和全彩显示的最后一块重要基石,钙钛矿蓝光LEDs在效率方面明显滞后。

 

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2014年以来红/绿/蓝光钙钛矿LED发展趋势(图自:深圳大学新闻,下同)

针对上述问题,该研究团队首次提出组合钙钛矿中的双极化跃迁通道增强蓝光跃迁的物理思想。通常实现半导体高效的蓝光发射要求材料具有直接带隙,禁带宽度位于蓝光波段,且带边波函数宇称非禁阻。此外,导带和价带附近能态波函数由于对称性存在差异,因而对吸收/发射光子的偏振模式具有选择性,比如各向异性半导体。因此,基于材料的对称性特征合理利用带边电子/空穴跃迁的偏振选择性,对实现光电器件的偏振操纵和性能提升具有重要意义。

研究团队发现具有Pnma对称性的钙钛矿带边跃迁呈现出很纯的单极化特征,通过结构形变诱导八面体产生畸变,可以调控过渡金属和卤族元素的p-d电子态耦合,进而实现对带边单极化能带顺序(band ordering)的调制。应变工程可以使导带底附近的两条单极化能带形成一种准简并态,这时带边的电子/空穴跃迁可以由原先的单一极化选择模式(x方向极化)转变成双极化选择模式(x和y方向极化),从而产生更强的光学跃迁响应。研究团队通过控制PEACl和DABr分子的组分比例实现了钙钛矿晶格膨胀,并借助极化依赖的PL光谱表征成功证实了应变对双极化跃迁通道的调制效应。基于该应变钙钛矿的LED器件性能显示,其在488 nm和483 nm蓝光波段的EQE效率分别高达14.71%和10.11%。

 

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 (a) 拉伸应变下CsPbBr2Cl导带粘合形成准简并状态并组成双极化跃迁通道;(b)显著增强的光学吸收和跃迁偶极矩;(c) 钙钛矿的TEM图样;(d)带边极化跃迁的偏振选择性;(e)器件的电流-电压关系曲线;(f)器件EQE效率。

该研究从半导体发光的电子结构角度出发,到设计增强蓝光跃迁的物理模型,再到基于构效关系的理论+实验双重验证,最后实现器件研发和性能调控,为以实际应用为目标导向的材料设计和器件研究提供了一条标准范式。

此外,该研究所提出的操控极化跃迁通道的物理模型和应变工程策略,不仅可以成功应用于钙钛矿蓝光器件的性能提升,更可以推广到光电、光伏、电子、能源催化等领域的多种材料体系,通过合理调控载流子的跃迁极化特征来实现相关器件的性能调制,或基于此构筑极化依赖的新原理器件原型。

 

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理论+实验的标准研究范式,单极化向双极化跃迁通道转变的卡通形象

《Science Advances》评价称,该项工作的切入点很巧妙,器件的性能也很突出。该项工作提出的思想可以扩展到其他钙钛矿光电器件中,通过应变工程提高器件效率。“他们的研究策略和成果使钙钛矿蓝光 LED走向实际应用更进了一步。”

该研究工作获得广东省自然科学基金,国家重点研发计划,深圳市孔雀团队、基础学科布局,粤港澳联合基金等项目的支持。

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