金屬鹵化物鈣鈦礦**發(fā)光二極管材料

金屬鹵化物鈣鈦礦半導(dǎo)體既在光伏器件研究中獲得巨大進(jìn)展，又在發(fā)光應(yīng)用中體現(xiàn)出明顯優(yōu)勢。金屬鹵化物鈣鈦礦半導(dǎo)體的熒光轉(zhuǎn)化效率高、發(fā)光峰形窄、發(fā)射光譜可調(diào)控并可覆蓋整個可見光范圍，從而使得該類材料所制備的發(fā)光二極管有望滿足下一代顯示技術(shù)應(yīng)用的性能要求。

在簡要敘述發(fā)光二極管基本原理的基礎(chǔ)上，分別介紹了鈣鈦礦材料的結(jié)構(gòu)和熒光特性、鈣鈦礦發(fā)光二極管的電致發(fā)光特性，以及鈣鈦礦發(fā)光二極管進(jìn)入實際應(yīng)用所必須解決的器件壽命、離子遷移和光譜不穩(wěn)定性等主要技術(shù)問題，討論了鈣鈦礦發(fā)光技術(shù)所面臨的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。

發(fā)光二極管器件基本原理

其核心結(jié)構(gòu)是電致發(fā)光半導(dǎo)體活性層，當(dāng)器件工作時，電子與空穴由發(fā)光層兩側(cè)注入，隨后被限制在發(fā)光層中形成激子并復(fù)合，從而產(chǎn)生輻射。LED發(fā)射的光子能量取決于發(fā)光層材料的光學(xué)帶隙。衡量LED發(fā)光性能優(yōu)劣程度的主要參數(shù)包括量子效率、電流效率，以及功率效率。內(nèi)量子效率表示產(chǎn)生的總光子數(shù)占總注入載流子數(shù)的百分比，外量子效率表示從發(fā)射面射出的總光子數(shù)占總注入載流子數(shù)的百分比。

圖1 **的LED器件結(jié)構(gòu)

電流效率指的是器件運行時，單位發(fā)光面積上的亮度與電流密度的比值，單位為cd/A。公式定義：

其中ηEL代表電流效率，L表示單位面積的發(fā)光亮度，J表示通過器件的電流密度。

功率效率又稱為能量效率，是指輸出的光功率與輸入的電功率之比，是衡量器件功耗的重要指標(biāo)，單位為lm/W。公式定義：

其中ηP 表示功率效率，LP 表示器件的輻照能量，V 表示器件驅(qū)動該亮度所加電壓，I 表示對應(yīng)的電流。

LED器件的發(fā)光顏色可以用色度坐標(biāo)表示。目前國際上通用的色度坐標(biāo)是1931年國際照明委員會(Commission International deI′Eclairage，CIE)制定的標(biāo)準(zhǔn)，以(CIEx，CIEy，CIEz)表示，其中，CIEx，CIEy，CIEz均為正數(shù)，且三者之和為1。圖2是常見的、具有馬蹄形狀的二維顏色坐標(biāo)(CIEx，CIEy)。該馬蹄形邊沿是飽和的單色波長。馬蹄形可以分成不同的顏色區(qū)域，其中心點坐標(biāo)E(0.33，0.33)是標(biāo)準(zhǔn)白色，中央部分圍成的區(qū)域是白光區(qū)域。橫跨白光區(qū)域的黑線是黑體色溫軌跡線，這條曲線代表了黑體隨溫度變化的顏色軌跡。色溫的變化范圍為1000 K到無窮大。

圖2 CIE (x, y ) 1931色度坐標(biāo)圖

LED器件的工作壽命通常定義為在恒定電流驅(qū)動下，器件的亮度衰減到初始亮度的一半時所需的時間。在實際研究過程中，為了縮短LED器件壽命的測試時間，壽命測試通常會采用高溫高亮的方式加速器件老化。在恒定電流密度驅(qū)動下，器件亮度的衰減曲線通常符合下述公式：

其中，L0和Lt 分別為初始亮度和經(jīng)過t時間后的亮度，τ，β是與材料和器件結(jié)構(gòu)相關(guān)的常數(shù)，可根據(jù)實驗結(jié)果擬合得到。一般來講，器件初始亮度越大，器件的穩(wěn)定性越差，并且有下述的經(jīng)驗關(guān)系：

其中，C，n都是常數(shù)，n一般在1.5到2.0之間取值。

金屬鹵化物鈣鈦礦發(fā)光二極管

金屬鹵化物鈣鈦礦的LED于20世紀(jì)90年代被提出[19]，但是當(dāng)時的電致發(fā)光只能在低溫下實現(xiàn)，不利于器件的廣泛研究和實際應(yīng)用。室溫電致發(fā)光PeLED開發(fā)于2014年，利用CH3NH3PbX3(X為Br或I)作為發(fā)光層進(jìn)而成功地制備出室溫電致發(fā)光的PeLED。這種器件可以通過簡單的溶液法制備組裝，同時器件的外量子效率也比較理想。由于三維鈣鈦礦較大的介電常數(shù)，注入的電子、空穴一般以激發(fā)態(tài)自由載流子形式存在，致使輻射復(fù)合效率較低。因此該報道中的PeLED是利用厚度只有15 nm的三維鈣鈦礦結(jié)構(gòu)活性層實現(xiàn)的。但是，如何避免漏電并制備均一覆蓋的鈣鈦礦發(fā)光層成為一項挑戰(zhàn)。

此后鈣鈦礦發(fā)光器件的研究獲得快速發(fā)展。提高了PeLED的效率。通過準(zhǔn)二維鈣鈦礦發(fā)光層或采用改性的三維鈣鈦礦活性層策略進(jìn)一步提升了近紅外PeLED的效率。相繼通過鈣鈦礦發(fā)光層的設(shè)計與改性將綠光二極管器件的外量子效率提升至20%以上。

小編：wyf 07.08