浙大金一政&葉志鎮院士Sci Adv：基于鈣鈦礦納米片構建高性能LEDs

【引言】

研究表明，通過溶液處理的平面鈣鈦礦發光二極管（LED）為高性能和經濟有效的電致發光器件，大面積顯示器和發光應用提供了可能性。利用具有高比例躍遷偶極矩（TDMs）的發射層，有望提高平面LED的光耦合。然而，基于各向異性鈣鈦礦納米發光材料的LED，由于難以同時控制TDM的方向，實現高光致發光量子產率（PLQYs），難以在組裝的納米結構薄膜中實現高光致發光量子效（EQE<5%）。金屬鹵化物鈣鈦礦是一類新興的溶液處理半導體，具有獨特的性質，如高光致發光量子產率（PLQYs）和可調發射波長。自2014年首次報道室溫下運行的鈣鈦礦LEDs（PeLEDs）以來，在器件效率方面取得了顯著進展。同時注意到這些最先進的PeLEDs是基于具有各向同性TDMs的薄膜。提高水平定向TDMs的比例有望進一步提高光的外耦合，并提高PeLEDs的外部量子效率（EQEs）的上限。

近日，浙江大學金一政研究員聯合葉志鎮院士（共同通訊作者）報告了一種原位生長的各向異性鈣鈦礦薄膜的高效LED，同時展示了高水平TDM和高PLQY的效率。在這種鈣鈦礦納米片材料中，具有~84%的高面內TDM 比，使得LED的光耦合效率為~31%。相比之下，在相同的器件結構中使用各向同性器件（TDM比率為67%）會將光提取效率限制為~23%。此外，作者發現通過將溴化鋰 (LiBr) 引入前驅體溶液中，鈣鈦礦薄膜的PLQY可以提高到75%以上。這些共同努力使PeLED的EQE達到創紀錄的23.6%，這是PeLED中的最高值。相關研究成果以“Efficient light-emitting diodes based on oriented perovskite nanoplatelets”為題發表在Sci. Adv.上。

【圖文導讀】

圖一、原位形成的鈣鈦礦納米片膜的結構表征

（A）橫截面STEM-HAADF圖像顯示出連續且無孔的鈣鈦礦層；

（B）放大的STEM-HAADF圖像顯示鈣鈦礦納米片的局部結構；

（C）?典型高分辨率透射電子顯微鏡（HRTEM）圖像；

（D）尺寸分布的統計圖；

（E）廣角X射線散射。

圖二、鈣鈦礦納米膜的光學特性

（A）吸收和PL光譜；

（B）與激發強度相關的PLQY；

圖三、鈣鈦礦納米片薄膜的TDM

（A）石英/TFB/PVK襯底上鈣鈦礦薄膜的角度與PL的關系；

（B）鈣鈦礦薄膜的BFP圖像；

（C）沿BFP圖像中的虛線切割的p極化線（灰線）；

圖四、基于鈣鈦礦納米片薄膜LED的器件表征

（A）EL光譜；

（B）EL強度隨角性分布的變化；

（C）器件的電流密度-亮度-電壓特性；

（D）器件EQE與電壓關系；

（E）來自36個器件EQE的直方圖；

（F）模擬結果的等高線圖。

【小結】

綜上所述，本文展示了控制鈣鈦礦薄膜的TDM方向克服了具有各向同性期間LED的光輸出耦合限制，使得LED具有高達23.6%的EQE。考慮到鈣鈦礦材料的化學多功能性，本文原位生長納米片薄膜的簡便方法很容易擴展到具有高EQE的不同顏色LED的制造。此外，本文的工作代表了一種簡單而有效的方法，利用納米結構的各向異性光學性質提供性能。

文獻鏈接：“Efficient light-emitting diodes based on oriented perovskite nanoplatelets”(Sci. Adv.，2021，10.1126/sciadv.abg8458 )

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