在光電子技術迅猛發展的今天，鈣鈦礦基發光二極管（PeLED）以其獨特的材料優勢和廣泛的應用前景，成為學術界和產業界關注的焦點。這類器件不僅具備可調帶隙、高色純度和低溫制備兼容性等突出特性，在近紅外（NIR）光發射領域更展現出巨大潛力。然而，光提取效率（LEE）受限一直是制約PeLED性能提升的關鍵瓶頸。近期，一項發表于《Scientific Reports》的研究通過創新的層厚度優化策略與活性層吸收調控技術，成功將近紅外PeLED的光提取效率提升近20%，在803nm波長處達到42.89%的優異水平，為PeLED的實際應用開辟了新路徑。

PeLED的技術優勢與現存挑戰

1.1鈣鈦礦材料的光電特性

鈣鈦礦材料之所以在光電子領域引發廣泛研究熱潮，源于其一系列優異的物理化學性質。這類材料具有可調的帶隙結構，通過組分調控可實現從紫外到近紅外全光譜范圍的光發射；同時具備高色純度，其電致發光半高寬（FWHM）僅為有機材料的1/3至1/4，這對于顯示和傳感應用至關重要。此外，鈣鈦礦材料還擁有長載流子擴散長度、低激子束縛能以及與低溫制備工藝的良好兼容性，這些特性使其在太陽能電池、激光器和傳感器等領域均展現出卓越性能。

在發光二極管應用中，鈣鈦礦材料與傳統有機發光材料（OLED）相比具有顯著優勢。由于鈣鈦礦材料中載流子相互作用的激子性質較弱，無需應對OLED中占比75%的三重態激子非輻射復合問題，這為提高器件效率奠定了材料基礎。理論上，若內部量子效率（IQE）接近單位值，PeLED中光功率模式占光源總光功率的比例可達55%，遠高于OLED的光回收效率。

1.2光提取效率：PeLED面臨的核心挑戰

盡管PeLED在材料特性上具有優勢，但其光提取效率卻受到嚴重限制。這主要歸因于鈣鈦礦材料較高的折射率（>2），導致嚴重的全內反射（TIR）效應，大量光子被束縛在器件內部形成波導模式或基底模式。此外，材料界面的折射率差異、活性層的光吸收以及表面等離子體效應等因素，進一步加劇了光損耗。

從器件物理角度分析，外部量子效率（EQE）由內部量子效率（IQE）和光提取效率（LEE）共同決定（EQE=IQE×LEE）。當IQE接近理想值時，LEE成為制約EQE提升的關鍵因素。現有研究表明，近紅外PeLED的EQE普遍低于20%，與OLED相比仍有較大差距，其中光提取效率不足是主要限制因素之一。

優化策略與仿真方法

2.1層厚度優化與吸收調控的協同策略

針對光提取效率受限的問題，研究團隊提出了層厚度優化與活性層吸收調控的協同優化策略。該策略基于以下物理機制：通過精確調控各功能層的厚度，優化器件內部的光學干涉效應，抑制波導模式和基底模式的形成；同時，通過降低活性層的消光系數（虛部折射率），減少光子在活性層內的吸收損耗，使更多光子能夠參與出射過程。

具體而言，研究聚焦于α-FAPbI?鈣鈦礦材料作為發光層（EML），在803nm近紅外波長處開展優化。首先通過有限差分時域（FDTD）方法仿真不同層厚度下的光場分布和光提取效率，確定各層的最佳厚度范圍。然后針對活性層的消光系數進行參數掃描，分析其對吸收損耗和光提取的影響規律。

2.2FDTD仿真方法與結構設計

研究采用3D時域有限差分（FDTD）電磁仿真技術（Ansys Lumerical FDTD模擬套件）作為主要研究工具，該方法能夠精確求解麥克斯韋方程組，捕捉亞波長尺度的電磁場分布，特別適合處理多層薄膜結構中的光干涉和外耦合效率。仿真結構如圖1所示，包含六層材料：金（Au）陽極/三氧化鉬（MoO?）緩沖層/氧化鋅（ZnO）電子傳輸層/甲脒碘基鈣鈦礦（FAPbI?）發光層/TFB空穴傳輸層/氧化銦錫（ITO）陰極。

圖1結構及材料示意圖

在仿真過程中，研究團隊采用了完美匹配層（PML）邊界條件和周期性邊界條件（PBC），以提高計算效率和準確性。通過掃描周期性模擬區域的面積，結果如圖2所示，故確定1μm×1μm為最佳模擬區域尺寸，此時光提取效率達到22.38%。同時，針對α-FAPbI?材料的消光系數進行系統研究，發現當消光系數從0.09降低至0.004時，光提取效率可從10%提升至22.38%，證實了降低吸收損耗的有效性。

圖2周期性邊界條件與LEE的關系

從仿真到實驗的突破

3.1層厚度優化的關鍵作用

通過系統的層厚度掃描，研究團隊獲得了各功能層的最佳厚度參數（表1）。其中，發光層（EML）厚度從初始的50nm優化至25nm，這一超薄設計顯著減少了光子在活性層內的傳播距離，降低了吸收損耗。同時，電子傳輸層（ETL）厚度從30nm增加至50nm，空穴傳輸層（HTL）厚度從40nm增加至100nm，這種調整優化了載流子注入平衡，同時改變了光學腔的長度，促進了相長干涉效應。

表1各層厚度優化參數

陽極緩沖層（MoO?）和電極層的厚度優化同樣關鍵。MoO?層從7nm增加至8nm，增強了陽極與空穴傳輸層的界面穩定性和載流子注入效率；金陽極厚度從60nm減薄至50nm，ITO陰極厚度從80nm減薄至70nm，在保證電極導電性的同時，減少了金屬層對光的吸收。

3.2光提取效率的顯著提升

優化后的器件結構實現了光提取效率的大幅提升。如圖3所示，通過逐層優化各功能層厚度，最終在803nm波長處獲得了42.89%的光提取效率，較初始結構提升近20%。這一結果是通過協同調控光學干涉和減少吸收損耗實現的：超薄發光層設計抑制了波導模式，而增厚的傳輸層調整了光學腔的共振波長，使803nm處的光發射獲得最大的出耦效率。

圖3逐層優化各層厚度結果圖

光學模式分析表明（圖4），優化后器件的波導模式占比顯著降低至3.83%，吸收損耗從97%降至49.50%，而空氣模式占比提升至42.89%。這一結果證實了優化策略的有效性，即通過結構設計將更多的光子從束縛模式轉換為可出射的空氣模式。

圖4 803nm波長處的光學模式

技術創新與應用前景

4.1與現有技術的對比分析

將本研究結果與現有近紅外PeLED研究進行對比，其技術優勢顯而易見。例如，Bai等人通過調控載流子傳輸和引入高折射率材料，實現了41.82%的光提取效率；而本研究通過純光學結構優化，在相似波長范圍內達到了42.89%的更高效率，且無需引入復雜的納米結構或新型材料，具有更好的工藝兼容性。

與傳統的光提取增強技術（如納米結構陣列、光子晶體等）相比，本研究提出的層厚度優化策略具有明顯優勢。首先，該方法基于平面結構，無需復雜的納米加工工藝，成本更低且易于規模化生產；其次，平面結構的器件穩定性更高，避免了納米結構可能帶來的界面缺陷和可靠性問題。

4.2近紅外PeLED的應用場景展望

近紅外PeLED在諸多領域展現出廣闊的應用前景。在生物醫學領域，800-950nm的近紅外光具有良好的組織穿透性，可用于熒光成像、光動力治療和生物傳感器等。優化后的高亮度、高效率近紅外PeLED有望成為下一代生物醫學成像設備的理想光源。

在通信與傳感領域，近紅外波段是光纖通信的常用窗口，高效率的近紅外PeLED可用于短距離光通信和環境監測傳感器。此外，在夜視成像、激光雷達（LiDAR）和安防監控等領域，近紅外PeLED也具有重要應用價值，其高亮度和低功耗特性可顯著提升設備性能。

結論：邁向高效近紅外光電子時代

本研究通過FDTD仿真指導的層厚度優化與活性層吸收調控策略，成功將近紅外PeLED的光提取效率提升至42.89%，為PeLED的性能提升提供了一條簡單有效的技術路徑。從科學意義上講，該研究證實了通過精確的光學結構設計和材料特性調控，可以有效克服全內反射限制，為高效光提取提供了理論和實驗依據。從應用角度看，高亮度、高效率的近紅外PeLED將推動生物醫學、通信傳感和夜視成像等領域的技術進步，加速PeLED從實驗室走向實際應用的進程。隨著研究的深入和技術的不斷創新，鈣鈦礦基光電子器件將在未來光電子技術發展中扮演更加重要的角色，為人類社會帶來更多創新應用和技術突破。

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參考文獻：

[1] Tabibifar N, Eskandari M, Boroumand F A, et al. Enhanced light extraction by optimizing near-infrared perovskite-based light emitting diode (PeLED)[J]. Scientific Reports, 2024, 14(1): 29165.

[2] Bai W, Xuan T, Zhao H, et al. Perovskite light‐emitting diodes with an external quantum efficiency exceeding 30%[J]. Advanced Materials, 2023, 35(39): 2302283.