“我的名字是我父親取的，源于北宋詩人王安石的《元日》一詩中‘千門萬戶曈曈日’，意為初升的太陽照耀千家萬戶。我也希望我們的研究成果可以像我的名字一樣，未來可以照進(jìn)千家萬戶。而在讀書的時(shí)候，其他課題組的師弟師妹找我?guī)兔ψ鰷y(cè)試時(shí)，都以為我是一位師姐，沒想到見面以后卻發(fā)現(xiàn)是一名壯漢。”對(duì)于自己名字的含義，廈門大學(xué)宣曈曈教授表示。

圖 | 宣曈曈（來源：宣曈曈）

他的名字帶有光芒的含義。巧合的是作為一名科研人員，他的研究方向也和光器件有關(guān)。

近日，宣曈曈和合作者提出采用高折射率的 Ni0.9Mg0.1Ox 薄膜，來替代傳統(tǒng)器件中的 3，4-乙烯二氧噻吩/聚苯乙烯磺酸鹽（PEDOT:PSS），這不僅能有效改善空穴注入速率，還能減少傳輸層對(duì)于鈣鈦礦的腐蝕，并能進(jìn)一步降低成本。

同時(shí)，在空穴傳輸層聚（9-乙烯基咔唑）與鈣鈦礦發(fā)光層中間加入聚乙二醇層，不僅能有效減少束縛在器件內(nèi)部的光子，還能提升器件的光子提取效率，而且有利于平衡電荷載流子的注入。

這讓基于上述器件結(jié)構(gòu)制備的綠光鈣鈦礦發(fā)光二極管的外量子效率得以突破 30%，幾乎能和有機(jī)發(fā)光二極管相媲美，故能為提升鈣鈦礦發(fā)光二極管效率提供一種新路徑，有望應(yīng)用于高品質(zhì)照明、超高清顯示、光通訊等領(lǐng)域。

日前，相關(guān)論文以《外部量子效率超過 30% 的鈣鈦礦發(fā)光二極管》（Perovskite Light-Emitting Diodes with an External Quantum Efficiency Exceeding 30%）為題發(fā)在 Advanced Materials 上[1]。

白雯昊是第一作者，宣曈曈是共同通訊，中國計(jì)量大學(xué)王樂教授和廈門大學(xué)解榮軍教授擔(dān)任共同通訊。

圖 | 相關(guān)論文（來源：Advanced Materials）

據(jù)介紹，鈣鈦礦發(fā)光二極管具有發(fā)光可調(diào)性強(qiáng)、發(fā)射光譜半峰寬窄、色純度高、色彩覆蓋范圍廣、可溶液加工以及成本低等優(yōu)點(diǎn)，因而有望作為光源應(yīng)用于下一代照明與顯示。

自 2014 年劍橋大學(xué)理查德 H.佛瑞德（Richard H. Friend）教授首次實(shí)現(xiàn)鈣鈦礦的室溫電致發(fā)光后，來自多個(gè)國家的科研人員通過表面配體修飾、組成調(diào)控以及構(gòu)筑量子阱等策略來優(yōu)化鈣鈦礦發(fā)光層，借此將鈣鈦礦發(fā)光二極管的效率提至 28.9%。

但是，與有機(jī)發(fā)光二極管相比，鈣鈦礦發(fā)光二極管的發(fā)光效率仍然存在較大差距。目前，學(xué)界主要通過優(yōu)化鈣鈦礦發(fā)光層的發(fā)光效率、致密性、穩(wěn)定性等方法，來提升鈣鈦礦發(fā)光二極管器件的發(fā)光性能。一直以來，領(lǐng)域內(nèi)始終缺少針對(duì)器件結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)。

作為一種空穴注入層，3，4-乙烯二氧噻吩/聚苯乙烯磺酸鹽（PEDOT:PSS）已被廣泛用于鈣鈦礦發(fā)光二極管器件，它與空穴傳輸層的能級(jí)匹配較差，故會(huì)導(dǎo)致較差的空穴注入行為。

同時(shí)與鈣鈦礦發(fā)光層相比，3，4-乙烯二氧噻吩/聚苯乙烯磺酸鹽（PEDOT:PSS）的折射率較低，因而會(huì)有大量光子被束縛在器件功能層內(nèi)。

基于此，宣曈曈開展了本次研究。據(jù)介紹，該課題組主要聚集于量子點(diǎn)發(fā)光材料制備，在研究專長上更加偏向化學(xué)合成。

2019 年 4 月，在宣曈曈加入廈門大學(xué)解榮軍教授課題組以后，后者鼓勵(lì)他開展鈣鈦礦發(fā)光二極管器件方面研究工作，即要做有用的材料。

宣曈曈表示：“2020 年初，在解老師的支持和指導(dǎo)下我們完成了鈣鈦礦發(fā)光二極管器件制備與光電性能表征設(shè)備調(diào)試工作。由于缺少相關(guān)器件制備經(jīng)驗(yàn)，只能通過閱讀文獻(xiàn)來摸索實(shí)驗(yàn)條件，我們嘗試制備了一款鈣鈦礦發(fā)光二極管器件，但是并沒有點(diǎn)亮?！?/span>

而后，在向多所學(xué)校的專家學(xué)習(xí)器件制備經(jīng)驗(yàn)之后，他們成功點(diǎn)亮了基于 CsPbI3:Sr 量子點(diǎn)的紅光鈣鈦礦發(fā)光二極管器件。在優(yōu)化量子點(diǎn)的制備工藝之后，獲得了效率為 17.1% 的紅光器件[2]。

此外，通過增加 KI 層借此進(jìn)一步改善鈣鈦礦發(fā)光層的致密性與發(fā)光性能之后，鈣鈦礦發(fā)光二極管外量子效率能被提至 21.8%[3]。

后來，鈣鈦礦發(fā)光材料的熒光量子效率已經(jīng)優(yōu)化至大約 100%。如何進(jìn)一步提升器件效率，則成為困擾他們的新難題。

課題組也想過從材料層面構(gòu)筑核殼結(jié)構(gòu)、以及使用配體修飾等策略改善發(fā)光薄膜光電性能。遺憾的是，在發(fā)光效率上并沒有獲得新突破。

一次偶然的機(jī)會(huì)里，宣曈曈和解榮軍教授以及中國計(jì)量大學(xué)王樂教授在討論：鈣鈦礦發(fā)光二極管器件的未來研究機(jī)會(huì)到底在哪兒？

宣曈曈表示：“兩位老師一致認(rèn)為應(yīng)該勇于跳出鈣鈦礦發(fā)光思維定勢(shì)，另辟蹊徑從器件結(jié)構(gòu)層面著手?！?/span>

同時(shí)，在研讀大量有機(jī)發(fā)光二極管和量子點(diǎn)發(fā)光二極管的相關(guān)文獻(xiàn)之后，他們發(fā)現(xiàn)在傳輸層設(shè)計(jì)和光子提取效率可謂機(jī)遇與挑戰(zhàn)并存。

為此，他們采用 NiMgOx 為空穴注入層制備出一種鈣鈦礦發(fā)光二極管，在效率取得較大提升之后，本次論文第一作者白雯昊博士生為了早日取得新的突破，每天開展大量的實(shí)驗(yàn)，經(jīng)常睡在實(shí)驗(yàn)室。

功夫不負(fù)有心人，在增加聚乙二醇層之后，光子提取效率得以大幅增加，器件的外量子效率也不斷刷新著記錄。

圖 | 廈門大學(xué)光電功能材料與器件研究團(tuán)隊(duì)（來源：宣曈曈）

但是，這一系列研究并未畫上句號(hào)。下一步，他們將聚焦鈣鈦礦發(fā)光二極管器件的可靠性和高性能無鉛器件的開發(fā)。要知道對(duì)于鈣鈦礦發(fā)光二極管器件來說，除了較高的效率和亮度，可靠性也是實(shí)現(xiàn)商業(yè)應(yīng)用的重要指標(biāo)。

因此，如何構(gòu)筑高性能鈣鈦礦發(fā)光二極管器件，使其在一定亮度下長時(shí)間工作是他們急迫解決的問題。此外，鉛離子的泄漏將產(chǎn)生污染環(huán)境問題，因此課題組將嘗試開發(fā)無鉛、環(huán)境友好、高效率的鈣鈦礦發(fā)光二極管發(fā)光器件。

參考資料：

1.Bai, W., Xuan, T., Zhao, H., Dong, H., Cheng, X., Wang, L., & Xie, R. J. (2023). Perovskite Light‐Emitting Diodes with an External Quantum Efficiency Exceeding 30%. Advanced Materials, 2302283.

2.Nano Energy, 2021, 85, 106033.

3.ACS Appl. Mater. Interfaces, 2022, 14, 16404-16412.