香港科大范智勇Nature photonics：基于鈣鈦礦量子線陣列的大面積平面和球形發光二極管

導讀

金屬鹵化物鈣鈦礦憑借其優異的光物理性能和簡單的溶液制備，已成為高效平板LEDs 的強有力競爭者，在顯示器和照明方面具有極大的商業潛力。然而，鈣鈦礦薄膜存在不均勻性以及材料穩定性差等問題，并且制造大規模或非平面 LED 的傳統解決方案和制造工藝仍然是一個挑戰。

成果掠影

近日，香港科技大學范智勇（通訊作者）在Nature photonics上發表文章，題為“Large-scale planar and spherical light-emitting diodes based on arrays of perovskite quantum wires”，即晶體鈣鈦礦量子線的大面積高度均勻陣列生長，發射光譜可覆蓋整個可見光范圍。對于 MAPbBr₃量子線，光致發光量子產率高達 92%，T50為5644 小時。將MAPbBr₃ QWs用于平面 LED，在環境條件下具有 31,667 cd m-2 的高峰值亮度和 16.9 小時的長壽命。在剛性和柔性的平面基板上，實現了4英寸晶圓量子線LED，并且具有卓越均勻性的獨特的三維球形LED。研究結果表明，該方法可以在未來推廣到其他非常規的三維LED。

核心創新點：

1. 對于 MAPbBr₃量子線，光致發光量子產率高達 92%，T50為5644 小時（在環境條件下光致發光降解至其初始值的 50% 的時間）。
2. 基于剛性和柔性平面基板上的這些量子線的 LED 可制造到 4 英寸的晶圓尺寸，并且還報道了具有出色均勻性的獨特 3D 球形 LED。

數據概覽

圖1. CSVR 工藝生長MAPbBr₃ QWs及其相應的表征 ?2022 Springer Nature Limited

a. CSVR裝置示意圖

b-e. 芯片在不同生長階段的示意圖(上)和熒光圖(下):生長前(b)、初始生長(c)、過生長(d)和清潔表面(e)

f. 量子阱HRTEM圖

g.納米線陣列的PLQY峰和PL峰的位置與納米線直徑的關系

h. 納米線陣列的TA光譜

圖2. CSVR 工藝的普適性及鈣鈦礦QWs柔韌性表征??2022 Springer Nature Limited

a, b. 鈣鈦礦量子阱陣列的生長:MAPb(Cl/Br)₃、MAPbBr₃和MAPb(Br/I)₃ 量子阱陣列的PL光譜(a)和相應的4英寸晶圓級熒光圖像(b)

c, d. 柔性演示:4英寸晶圓級MAPbBr₃量子阱在彎曲超薄鋁箔(c)和康寧玻璃(d)上的熒光照片

圖3. MAPbBr₃ 量子阱的機械和環境穩定性表征??2022 Springer Nature Limited

a. MAPbBr₃薄膜和量子阱陣列在的歸一化PL譜

b. 計算了MAPbBr₃薄膜和量子阱在PAMs中的內聚力

c, d. 聚丙烯酰胺在有(c)和沒有進行(d)疏水表面處理下的水接觸角測量

e. 疏水量子阱在10分鐘后滴上一滴水的熒光成像

f. MAPbBr₃薄膜和量子阱陣列在環境空氣中的歸一化的PL譜

圖4.平面MAPbBr₃ QWs LED器件的性能表征??2022 Springer Nature Limited

a. 器件示意圖

b. SEM截面圖

c. 器件能帶結構

d. 不同應用電壓下的EL譜

e. 集成EL強度

圖5. 大面積平面MAPbBr₃ QWs LED器件的性能表征??2022 Springer Nature Limited

a,b. 最佳器件的J–L–V(a)和EQE–CE–V(b)

c. 不同測試條件T_EL50

d-f. EL展示

g, h. 柔性展示

圖6. 曲面MAPbBr₃ QWs LED器件的性能表征??2022 Springer Nature Limited

a. CsPbBr₃ QWs的PL圖

b, c. 平板器件表征

d-f. 三維球形器件和表征

成果啟示

該項研究，為制備真正三維大面積均勻的鈣鈦礦薄膜，提供了一種可能性。通過CSVR方法在二維平面和三維球形基底上均實現了鈣鈦礦QWs的成功制備，并將其成功用于LEDs器件中，在提高LEDs器件發射光子外耦合效率的同時有望推動鈣鈦礦QWs LEDs在未來大面積顯示器和非常規照明應用。

文獻鏈接：Large-scale planar and spherical light-emitting diodes based on arrays of perovskite quantum wires. 2022, Nat. Photon., DOI: 10.1038/s41566-022-00978-0.

本文由納米小白供稿

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