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01研究發(fā)現(xiàn)新型納米顆粒技術(shù)，可提高LED光輸出和壽命

提高LED性能一直都是科學(xué)家的一個研究課題。倫敦帝國學(xué)院（Imperial College London）的研究團隊近期提出將納米顆粒的可定制元網(wǎng)格（Meta-Grid）嵌入LED中的方法，可以提高LED的光輸出和壽命。

圖片來源：Debabrata Sikdar, John B. Pendry, and Alexei A. Kornyshev

研究員提出通過減少固定光子逃逸錐內(nèi)芯片/封裝材料界面處的菲涅耳反射損失（Fresnel Reflection Loss），來提高LED芯片內(nèi)部產(chǎn)生的光在LED芯片/封裝材料界面的傳輸，同時規(guī)定對制程產(chǎn)生最小的變化。

研究表明，峰值發(fā)射波長條件下，在典型的LED芯片/封裝材料界面的光傳輸可增高達99%，而在正入射情況下則僅為84%。此方案能夠提高整個LED發(fā)射光譜范圍內(nèi)光子逃逸錐里的光傳輸，這不僅可以降低能耗，還能通過減少芯片內(nèi)部不必要反射產(chǎn)生的發(fā)熱來提高LED的壽命。

研究員認為，此方案有望輕易使用并應(yīng)用于現(xiàn)有的半導(dǎo)體設(shè)備技術(shù)中，還能夠獨立使用，或結(jié)合其他方法，用于減少LED臨界角損失。

據(jù)悉，這項研究已于7月發(fā)表在《光：科學(xué)與應(yīng)用》（Light Science & Application）期刊上。

02西安交大通過抑制離子遷移實現(xiàn)高效穩(wěn)定全無機鈣鈦礦LED

如今，鈣鈦礦材料在光伏光電研究領(lǐng)域受到了廣泛的關(guān)注和研究。隨著綠光和近紅外發(fā)光器件的外部量子效率超過20%，表明距離照明和顯示器中的實際應(yīng)用又邁進了一步。

然而，器件穩(wěn)定性目前仍是限制發(fā)光二極管進一步發(fā)展的阻礙之一，電場作用下離子遷移對器件性能滾降的作用不可忽視。

器件中離子遷移途徑分為兩類：鈣鈦礦發(fā)射層和電荷傳輸中間層之間的離子交換以及離子通過它們的滲透，以及金屬原子從電極擴散到甚至穿過電荷傳輸層的擴散。遷移會導(dǎo)致鈣鈦礦和中間層的缺陷形成和材料降解，以及電極腐蝕，致使器件性能迅速下降。

此外，全無機CsPbX3材料因其具有較高的光熱穩(wěn)定性，成為近年發(fā)光二極管中的明星材料。然而，其前驅(qū)材料自身溶解度較低，使得相應(yīng)薄膜容易結(jié)晶質(zhì)量低、缺陷密度高、形貌差，進而造成非輻射復(fù)合幾率升高，大大降低器件效率。這些缺陷導(dǎo)致的相關(guān)穩(wěn)定性問題也阻礙了無機鈣鈦礦發(fā)光二極管的穩(wěn)定性發(fā)展。

針對以上鈣鈦礦發(fā)光二極管中所存在的離子遷移以及CsPbBr3薄膜成膜質(zhì)量差的問題，西安交通大學(xué)吳朝新教授組研究了“insulator-perovskite-insulator”（IPI）全無機異質(zhì)結(jié)器件結(jié)構(gòu)，即雙層LiF層包裹鈣鈦礦發(fā)光層形成類三明治結(jié)構(gòu)，并結(jié)合無機半導(dǎo)體材料ZnS-ZnSe組合作為聯(lián)級電子傳輸層取代以往的有機半導(dǎo)體傳輸材料，同時實現(xiàn)了有效的載流子傳輸性和離子遷移的抑制。

全無機異質(zhì)結(jié)器件結(jié)構(gòu)顯著抑制了電場誘導(dǎo)下鈣鈦礦層的離子遷移，并阻礙了金屬原子向發(fā)光層的擴散。另一方面，利用多元A位摻雜效應(yīng)，通過引入堿金屬離子制備出致密均勻的三元Cs/Rb/KPbBr3薄膜。此外，觀察到在預(yù)退火過程中反溶劑氛圍處理與薄膜的成膜性和光學(xué)特性密切相關(guān)，這進一步從一定程度上提高了薄膜熒光質(zhì)量。

結(jié)果，優(yōu)化后的三元鈣鈦礦發(fā)光二極管的器件效率為35.15 cd A-1（EQE 11.05 %）。同時，該器件在儲存264小時后仍能保持原有EQE的90 %。在初始亮度為100 cd m-2的穩(wěn)定性測試下，器件的T50壽命超過255小時。

工作提出的全無機異質(zhì)結(jié)器件結(jié)構(gòu)為實現(xiàn)高效穩(wěn)定的鈣鈦礦發(fā)光二極管開辟了一條新的途徑。

該項研究以“Suppressing Ion Migration Enables Stable Perovskite Light-Emitting Diodes with All-Inorganic Strategy”為題近期發(fā)表于國際期刊Advanced Functional Materials (2020)。

據(jù)介紹，吳朝新教授團隊長期研究新型功能材料的“光-電”與“電-光”物理機制及其器件應(yīng)用，如太陽能電池與發(fā)光二極管，近期有多項重要成果發(fā)表于國際頂級期刊。