导读

据日本东京工业大学官网近日报道，该校科学家探索出一种新策略，利用量子限域效应，设计出极其高效的钙钛矿基LED，其亮度创下新的纪录。

背景

这些年来，用电发光的几项技术一直在开发中。电流施加时会发光的器件，被称为“电致发光器件”。它比传统白炽灯的亮度要高几个数量级。发光二极管（LED）成为这些设备中最重要且普遍的类别。如今，各式各样的LED出现在我们生活中。我们对于量子力学、固态物理学的理解以及替代性材料的使用，让这一切变成现实。

各种形状和尺寸的LED（图片来源：维基百科）

电致发光器件由几层组成，最重要的是发光层（EML），它会发出光线来响应电流。金属卤化物钙钛矿，化学式为CsPbX3 （X = I, Br, Cl），最近被成为是非常有望用于制造发光层的材料。然而，与通常用于设计电视与智能手机显示屏的有机LED相比，钙钛矿基LED（PELED）性能较差。

钙钛矿LED（图片来源：Charlotte Perhammar）

一些科研人员建议采用低维（也就是说，发光结构单元在平面上连接，或者在晶体结构中线性连接。）钙钛矿，它可以基于激子的量子限域效应，改善发光特性。激子是“电子-空穴”的配对，它能高效地发出光子。然而，低维钙钛矿具有一个内在缺陷：这些材料的导电性能很差，也就是说迁移率很低，而这种低迁移率将导致低功率效率。

创新

有意思的是，日本东京工业大学教授细野秀雄（Hideo Hosono）领导的研究团队经过探索，采用三维钙钛矿设计出高效的钙钛矿基LED。这种钙钛矿具有更高的电子与空穴迁移率，因此可以解决低维钙钛矿的局限性问题。

下图所示：光致发光（PL）是指由吸收入射光子而产生的发光，而电致发光（EL）是指由于电流供应的能量产生的发光。尽管低维钙钛矿比三维钙钛矿具有更好的光致发光特性，但是后者却具有更好的电致发光特性，可以被用于设计非常明亮且高效的钙钛矿基LED。

（图片来源：东京工业大学）

技术

团队想要研究的是，利用与钙钛矿邻近的新的电子传输层，在低维材料中产生并导致卓越发光特性的量子限域效应，是否也会出现在三维材料中。在电致发光器件中，发光层像三明治一样位于两层（电子传输层与空穴传输层）之间。这两层在保证器件良好导电性方面扮演着关键角色。团队发现，这些层的能级特征也在电致发光器件的发光效率方面扮演着至关重要的角色。

通过调谐钙钛矿基LED的电子与空穴传输层的特性，团队可以保证激子被束缚在发光层中，从而防止上述情况发生。细野秀雄解释道：“如果电子/空穴传输层的能级对于束缚激子来说是足够的，那么整个器件结构在某种意义上可以被认为是一个可扩展的低维材料。”

价值

团队报告称，从高亮度、高能量效率和低工作电压的角度来说，三维钙钛矿基LED具有破纪录的性能。

除了这些实际成果，这项研究弄清楚了材料的激子相关特性是如何受到邻近层影响的，并为开发光学器件提供了一种容易采用的策略。细野秀雄总结道：“我们相信，这项研究为实现实用的钙钛矿基LED提供了新的认识。”这些在发光材料方面非常有趣的进展预示着，一个更加光明的未来似乎正在向我们招手。

关键字

LED、钙钛矿、激子

参考资料

【1】Kihyung Sim, Taehwan Jun, Joonho Bang, Hayato Kamioka, Junghwan Kim, Hidenori Hiramatsu, Hideo Hosono. Performance boosting strategy for perovskite light-emitting diodes. Applied Physics Reviews, 2019; 6 (3): 031402 DOI: 10.1063/1.5098871

【2】https://www.titech.ac.jp/english/news/2019/044998.html