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性能一直都是科學家的一個研究課題。倫敦帝國學院（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用于現(xiàn)有的半導體設(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：科學與應用》（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，進而造成非輻射復合幾率升高，大大降低器件效率。這些缺陷導致的相關(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，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，觀察到在預退火過程中反溶劑氛圍處理與薄膜的成膜性和光學特性密切相關(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。