上科大钙钛矿发光二极管首破世界纪录，或将开启 ‘隐形眼镜’显示器新时代

2023-09-07 13:16:54, HORIBA HORIBA科学仪器事业部

科幻电视剧《黑镜》主人公 Grain 佩戴的隐形眼镜，就像一个显示器，能够播放影像，使佩戴者身临其境般体验画面。无需任何笨重的电子设备，世界的森罗万象都囊括在这片透明且薄如蝉翼的“隐形眼镜”中。

Fig.1人们幻想中的隐形眼镜显示器

（来源：pixabay ）

想要实现这种透明、轻薄，犹如“隐形眼镜”一样的显示器，研究人员制备使用的光电器件必须要同时兼备高量子效率和高透光率。令人欣喜的是，近日上海科技大学宁志军课题组最新研发钙钛矿发光二极管（PeLED），外量子效率高达 13.6%，透光率超过 50%，创造了全球历史新高，有望让“隐形眼镜”显示器从科幻电视剧走向现实生活。

双添加剂调控薄膜生长

助力制备高性能 PeLED

上科大制备出这种高性能、高透光率的 PeLED，要归功于其利用超分子动态配位诱导分段结晶法制备出的钙钛矿薄膜。

Fig.2 上科大设计的 PeLED

众所周知，钙钛矿薄膜的生长调控极为困难，生长的不受控影响着钙钛矿的结晶程度和缺陷，从而影响钙钛矿薄膜量子产率，也进一步影响了其制备的 PeLED 性能。目前最为经典的生长调控方法是溶液法，即在钙钛矿薄膜生长过程中使用添加剂来调控钙钛矿薄膜的组成或形貌，但调控功能仍然有限。

与常规溶液法只使用单一添加剂不同，上科大宁教授课题组使用双添加剂，即在钙钛矿前驱液中加入两种能够协同作用的分子（冠醚和三氟乙酸），来实现钙钛矿组成和形态的同步调控，以此制备出低缺陷、高量子产率的钙钛矿薄膜。

Fig.3 双添加剂调控薄膜生长结晶示意图，其中冠醚可以和钙钛矿 B 位铅离子进行配位，三氟乙酸可以和 A 位甲脒和铯离子配位

光谱技术揭示缺陷性质

数据验证薄膜性能

缺陷是高性能钙钛矿薄膜的敌人。在宁教授课题组的研究中，荧光光谱技术被用来表征钙钛矿材料的光学性质，以此反映钙钛矿薄膜的缺陷程度。其中荧光寿命、量子产率和荧光光谱是该课题组关注的重点。

Fig.4 上科大宁志军课题的 HORIBA Fluorolog-3 科研级荧光光谱仪

在钙钛矿研究过程中，表征的难点是薄膜的荧光信号弱所导致的寿命采集速度慢、寿命范围宽以及钙钛矿样品易受水氧的影响等。这就要求荧光光谱仪兼备高能量的激发光源、高灵敏寿命检测器和更宽的寿命检测范围。HORIBA Fluorolog-3 科研级荧光光谱仪能够满足这些要求并有幸为这项研究提供帮助。

荧光寿命是反映钙钛矿薄膜缺陷程度的方式之一，高荧光寿命通常意味着更少的缺陷。研究结果说明，相对于单一添加剂的对照组，使用双添加剂制备的钙钛矿薄（CrTFA）展现出远超对照组的 82 ns荧光寿命（Fig.5）

此外，荧光量子产率和荧光光谱（PL）的半峰宽也能够综合反应钙钛矿薄膜的缺陷情况。通常，深能级缺陷会带来较多的非辐射复合（降低量子产率），浅能级缺陷会引入一些带尾态从而使荧光光谱展宽。通过测试结果（Fig.5）可以看出，使用双添加剂制备的钙钛矿薄膜展现出 89% 的高荧光量子产率以及仅 20nm 的 PL 半峰宽，均优于不使用或仅适用单一添加剂的对照组，具有较低的缺陷。

简言之，使用双添加剂制备的钙钛矿薄膜，具有高结晶度且低缺陷的特点，正是研究人员需要的薄膜。

Fig.5 钙钛矿薄膜及其对照组的时间分辨荧光光谱（a）、吸收光谱（b）和发射光谱（c），其中 CrTFA 为双添加剂实验组,W/O，18Cr6 和 STFA 分别为空白对照组与单一添加剂对照组

优质钙钛矿薄膜

制备高性能 PeLED

基于这些优质钙钛矿薄膜，上科大宁教授课题组进行多种 LED 的构建，以期开发出更高效稳定的 PeLED。

上科大构建的小面积（5 mm²）PeLED 取得了 23.9%的外量子效率；大面积 PeLED（1 cm²）也获得了超高的 21.6% 的外量子效率，这都显示出钙钛矿薄膜的高度均一性以及该方法在大面积显示器件上应用的可能性。此外，结合半透明电极制备的高透明 PeLED，取得了 13.6% 的外量子效率，超过 50% 的透光率，创造了全球历史新高。相关研究成果发表于Light:Sciece&Application.

上海科技大学宁教授课题组的研究，为未来显示器发展带来了新的突破契机。此前人类将显示器从难以搬动变成可携带的移动设备，经历了120年，而下一代显示器的到来或许指日可待。

科技正在以前所未有的速度推动着人类社会的进步，从智能手机到人工智能，从无人驾驶到虚拟现实，不断挑战人类想象力的极限。未来让我们一起期待更多的可能性!

宁志军课题组的研究领域为基于溶液法组装的光电转化材料与器件，针对溶液法组装光电材料与器件中的电荷输运、光吸收与发射等基础问题，从材料设计与合成、纳米结构制备、器件结构等角度来展开研究，协同新材料的开发以及器件结构构筑来开发高效稳定光电器件，包括钙钛矿太阳能电池和发光二极管、胶体量子点红外探测器等。

课题组长宁志军教授入选万人计划领军人才，上海市优秀学术带头人，获得霍英东教育基金会高等院校青年科学奖，连续入选科睿唯安高被引科学家，担任Cell Report Physical Science顾问编委、ACS Materials Letters的Early Career Advisory Board Member、Science Bulletin和Science China Chemistry青年编委。2017年获得上海市自然科学一等奖（排名第四），2015年入选国家级青年人才计划。

联系作者：wanghao2@shanghaitech.edu.cn

供稿：上海科技大学王浩

编辑：Iris

润色：平儿

审核：Joanna、Lucy

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