鈣鈦礦LED技術
關注創建者：匿名 創建時間：2026-01-04
鈣鈦礦LED技術的實例教程
洛斯阿拉莫斯大學前 JR Oppenheimer 博士后研究員 Hsinhan Tsai 補充說：“這之前，業界曾展示過基于將鈣鈦礦納米晶體固定在MOF結構概念制作的粉末材料，不過這次，我們第一次成功將其集成為LED的發光層。”
之前所有制作納米晶體LED的嘗試都因納米晶體退化回不想看到的體相狀態而以失敗告終，也正是這一原因，納米晶體用于實用LED變得不可能。這種體相的大塊材料由數十億個原子組成，而處于納米相的鈣鈦礦等材料則僅由幾個到幾千個原子組成，因此其表現出非常大的不同。
在該研究小組提出的新方法中，他們在MOF矩陣結構內制造鈣鈦礦納米晶體以穩定這種發光材料的發光性能，實際看起來好像納米晶體被“鐵絲網”裹住。他們使用框架中的鉛節點作為金屬前體，使用鹵化物鹽作為有機材料。這里鹵化物鹽溶液含有甲基溴化銨，它與骨架中的鉛反應，并陣列內的鉛核周圍組裝成納米晶體。這種陣列結構可以讓納米晶體保持分離，因此它們不會相互作用和降解。這種方案使用溶液涂布的方法，成本上遠低于當前廣泛用于無機LED的真空處理方法。
“在這項工作中，我們首次證明了在MOF中制作穩定的鈣鈦礦納米晶體，進而形成穩定LED的方案，”洛斯阿拉莫斯國家實驗室集成納米技術中心的科學家Wanyi Nie說，“我們可以借助這種方案制作出不同顏色的LED，并提高顏色純度、增加光致發光量子產率，這些都是衡量鈣鈦礦材料發光性能的指標。”
該研究團隊使用位于阿貢的DoE科學用戶設施辦公室的高級光子源 (APS)進行時間分辨的X 射線吸收光譜測量，這種技術能夠讓他們了解鈣鈦礦材料隨時間的變化規律。據此，研究人員能夠在電荷穿過材料時跟蹤電荷，并了解發光時伴隨產生的重要信息。
展開 通過優化材料和器件結構，鈣鈦礦型發光二極管（LED）取得了顯著的進展，外部量子效率（EQEs）現已超過20%，接近有機LED的水平。
為了實現鈣鈦礦型LED的商用化，簡化其制備工藝是非常重要的。來自南京工業大學等單位的研究人員展示了基于溶液處理多量子阱（MQW）鈣鈦礦結構的無空穴傳輸層發光二極管。多量子阱鈣鈦礦能自組裝成垂直梯度分布的獨特結構，其頂部覆蓋有二維層狀鈣鈦礦和類三維鈣鈦礦，自然形成電子向陽極界面傳輸的勢壘，從而提高電荷俘獲效率。這使得無空穴傳輸層多量子阱鈣鈦礦型發光二極管的外量子效率（EQE）達到9.0%，發射峰值為528 nm，是具有相同器件結構的三維鈣鈦礦型發光二極管的6倍以上，代表了無空穴傳輸層鈣鈦礦型發光二極管的創紀錄EQE。
相關論文以題目為“
Multiple-quantum-well perovskite for hole-transport-layer-freelight-emitting diodes
”
發表在
Chinese Chemical Letters
期刊上。
論文鏈接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1001841721004848
典型地，鈣鈦礦型LED由位于電子傳輸層（ETL）和空穴傳輸層（HTL）之間的發射活性層組成，其起到傳輸電子/空穴傳輸和阻斷相反載流子的作用。為了實現良好的載流子注入和復合，這種器件結構對傳輸層的設計提出了很高的要求。這些設備通常采用多傳輸層結構，因此通常包括界面修飾層。此外，由于鈣鈦礦的結晶很容易受到底層的影響，這使得鈣鈦礦型LED的制備變得更加復雜。
展開 或者，Yuan等人報道了在465nm處EQE為2.6%的單鹵化物層狀鈣鈦礦LED。由于準二維層狀鈣鈦礦是混合相，不同相之間的激子不完全轉移也會導致器件在不同偏壓下的顏色不穩定。
因此，單鹵化物納米晶鈣鈦礦由于具有高的光致發光量子效率（PLQE）和良好的光譜穩定性而被采用。然而，傳統的鈣鈦礦納米晶的合成方法需要許多長鏈有機配體才能達到小顆粒，從而使發射峰變為深藍色（460?470 nm），Todorovic?等人通過摻雜Rb的CsPbR3納米晶體，在464 nm處出現了深藍色鈣鈦礦LED，但EQE僅為0.11%。
納米晶的原位合成為獲得高質量的鈣鈦礦薄膜提供了一種簡便易行的方法。
通過直接在鈣鈦礦前驅體溶液中添加配體，趙和韓等人分別獲得了用于近紅外和綠色鈣鈦礦
LED
的原位制備鈣鈦礦納米晶。此外，通過調節鈣鈦礦前驅體中有機配體的比例，
Liu
等人報道了基于不同尺寸的
Cs
0.7
FA
0.3
PbR
3
納米晶嵌入準二維相的深藍色到天藍色鈣鈦礦
LED
，但在
466 nm
處的
EL
峰的器件的
EQE
僅為
～0.7%
。在這項工作中，我們證明，通過控制抗溶劑的滴加時間，可以方便地調節原位制備的鈣鈦礦納米晶的尺寸，從而得到高效且光譜穩定的深藍色鈣鈦礦
LED
。(文：愛新覺羅星)
圖1.鈣鈦礦納米晶薄膜原位制備過程示意圖。
圖2.原位制備鈣鈦礦納米晶薄膜。（a）納米晶尺寸分布的TEM圖像和統計。20 nm的比例尺。（b）鈣鈦礦薄膜的PL譜PEDOT:PSS/poly TPD/PVK基板。
展開 然而，鈣鈦礦型納米晶的常規制備過程仍然受到非理想配體控制的致命影響，導致聚集膜形成或膜導電性差。
此外，盡管開發了使用帶有短氨基配體的原位鈣鈦礦薄膜的高效LED，但其始終面臨著不均勻的組成，特別是沿著垂直分布，其中在薄膜表面形成欠配的鈣鈦礦晶粒作為非輻射復合中心。在這方面，迫切需要微妙的配體控制來形成高發光鈣鈦礦薄膜和具有理想操作穩定性的高效器件。
本研究建立了表面配體管理（SLM）策略，即用辛胺配體處理沉積的PLQY較差的鈣鈦礦薄膜。證明了經過表面處理后，鈣鈦礦薄膜表面和烷基胺配體（辛胺）之間發生了配體置換。值得注意的是，PLQY從28.6%提高到59.6%表明鈣鈦礦薄膜中增強的輻射復合具有顯著的效果，這也得益于輔助缺陷，使用SLM方法抑制了非輻射復合損耗。在優化的情況下，器件的工作壽命大大延長。（文：愛新覺羅星）
圖1（a）研究了純辛胺、純鈣鈦礦和SLM基鈣鈦礦薄膜的紅外光譜。（b） 紫外-可見吸收光譜和熒光光譜，（c）原始鈣鈦礦和SLM基鈣鈦礦薄膜的XRD譜和PLQY譜。
圖2原始鈣鈦礦薄膜的AFM圖像（a）以及0.5uL ml-1處理的鈣鈦礦薄膜（b）。（c–f）KPFM原始鈣鈦礦薄膜（c）和經表面處理的鈣鈦礦薄膜的圖像0.2 uL ml-1（d），1 uL ml-1（e）和10 uL ml-1（f）辛胺。
圖3（a）原始鈣鈦礦薄膜和SLM基鈣鈦礦薄膜的PL壽命。（b）原始鈣鈦礦薄膜和SLM基鈣鈦礦薄膜的非輻射復合速率。（c） 在80～280k溫度范圍內測量了SLM基鈣鈦礦薄膜的光致發光譜，并對溫度相關光致發光強度進行了積分。
展開 本文中，通過合理設計的多層半透明電極（LiF/Al/Ag/LiF）實現了超過12%的外部量子效率和大約2000cd m-2的亮度的白光LED，在WPeLED領域樹立了里程碑。
基于光學模型，光提取效率（LEE）通常低于20％，以及難以實現白光發射是金屬鹵化物鈣鈦礦型發光二極管（PeLED）領域的兩個主要挑戰。來自華南理工大學的葉軒立教授課題組通過合理設計的多層半透明電極(LiF/Al/Ag/LiF)，將藍色PeLED與一層紅色鈣鈦礦納米晶體(PeNC)下轉換器耦合，構建具有顯著增強LEE的高性能白光PeLED。紅光PeNC層允許提取藍光PeLED中捕獲的波導模式和表面等離激元極化模式，并將其轉換為紅光發射，從而使LEE改善了50％以上。同時，藍光光子和下轉換的紅光光子的互補發射光譜有助于改善白光PeLED，使其具有超過12％的外部量子效率和大約2,000 cd m-2的亮度，這代表了這個領域最新技術結果。相關論文以題為“Utilization of Trapped Optical Modes for White Perovskite Light-Emitting Diodes with Efficiency over 12%”發表在Joule。
論文鏈接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2542435120306073
白光發光二極管（LED）是照明和顯示應用中的重要元件，它們在我們的日常生活中消耗了大量的能量。因此，高效的白光LED對于節能和減少碳排放很重要。金屬鹵化物鈣鈦礦LED（PeLED）具有成為下一代照明技術的巨大潛力，紅光和綠光LED的外部量子效率（EQE）從不到1％提高到20％以上，藍光LED提高到了12％以上。
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【引言】
近幾年，鈣鈦礦太陽電池的光電轉化效率屢創新高，在LED、光電探測器等領域也大放異彩，儼然成為一種“萬能材料”。然而，鉛的毒性問題始終是籠罩在電池產業化道路上的一片烏云。為了解決鉛毒問題，人們開始探索非鉛新材料，其中，錫是理論上和實驗上最有潛力成為高效無鉛太陽電池的重要元素。而最基本也是最重要前提是獲得高致密、無針孔的錫基鈣鈦礦薄膜。迄今，取得較好效率的薄膜大多出于反溶劑法
與QLED和OLED等技術相比，目前鈣鈦礦LED的工作穩定性很低。低維鈣鈦礦因其優越的穩定性和高度的可調諧性，為克服這些限制提供了一條很有前途的途徑。
來源：材料人
