浙江大学叶志镇团队突破钙钛矿发光二极管响应速度瓶颈

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钙钛矿发光二极管（PeLEDs）以其高效率、低成本、可调色等优点，近年来在显示领域备受关注，被认为是下一代显示技术的潜力之星。然而，钙钛矿材料的离子迁移问题，导致 PeLEDs 的电致发光上升时间通常在毫秒级别，这对于高刷新率显示来说是一个巨大的挑战。浙江大学叶志镇教授团队近期取得重大突破，他们通过采用单颗粒钝化策略，成功将 PeLEDs 的电致发光上升时间缩短至微秒级，为高刷新率显示技术的发展提供了新的可能性。 这一研究成果发表在国际顶尖期刊《Nature Electronics》上。【高刷新率显示的挑战与机遇】主动矩阵 (AM) 显示器是一种自发光器件，每个像素都由薄膜晶体管 (TFT) 电路独立控制。与传统的液晶显示器相比，AM 电致发光器件结构更简单，功耗更低，视角更广，对比度更高。 在 AM 显示器中，屏幕刷新率要求 LED 具有快速的响应时间；当刷新率提高到 120 Hz 或更高频率时，从脉冲电压开始到 LED 达到稳定电致发光 (EL)（通常是最终值的 90%）的时间应小于 1 毫秒。金属卤化物钙钛矿 LED（PeLEDs）因其高色纯度、效率、不断提高的操作稳定性和潜在的低成本大面积面板制造潜力，成为 AM 显示器的理想选择。原型红外-红、绿和天蓝色 PeLED 的峰值外部量子效率 (EQE) 接近理论极限，绿光发射器件在 1,000 cd m-2 亮度下工作稳定性已达到 520 小时。 然而，它们在脉冲操作下的 EL 响应却 largely overlooked。 减少界面电容和电阻可以降低 PeLED 的响应时间。 但是，PeLED 的典型瞬态 EL 显示出两个区域：在施加脉冲电压后，初始快速上升（在微秒范围内），然后缓慢上升（在数十毫秒范围内），直到达到稳定的 EL。 数十毫秒范围内的缓慢上升是金属卤化物钙钛矿固有的离子晶体结构导致的，在施加电场后，它们在毫秒范围内表现出离子迁移响应。 这些移动的离子会改变内部电场，从而减缓随后的 EL 上升。 结果，典型 PeLED 的瞬态 EL 响应比其他 LED 技术（其 EL 响应时间在微秒内或低于微秒）慢得多。主动矩阵（Active Matrix，AM）显示器结合钙钛矿发光二极管（Perovskite Light-Emitting Diodes，PeLEDs）可以显著提升显示器的性能，以下為优化方式提升光电转换效率：钙钛矿材料具有高光电转换效率和宽光谱发射特性，能够提供更高的亮度和更丰富的颜色。结合AM技术，可以精确控制每个像素的发光，提高整体显示效果。i.       改进材料结构：通过优化钙钛矿材料的结构，如采用多层钙钛矿结构或掺杂不同元素，可以提高PeLEDs的发光效率和稳定性。同时，结合TFT的高效开关特性，可以实现更低的功耗和更高的亮度。ii.       界面工程：通过界面工程改善钙钛矿层与电极之间的界面，使电荷注入更加高效，减少非辐射复合，提高发光效率。AM显示器中的TFT层也可以优化以减少漏电流和提高电荷注入效率。iii.       封装技术：结合先进的封装技术，可以保护钙钛矿材料免受环境因素（如湿度和氧气）的影响，从而提高PeLEDs的寿命和稳定性。封装技术的改进也有助于实现柔性显示器。【单颗粒钝化策略：克服离子迁移难题】在不同的钙钛矿发射层中（例如体相薄膜和纳米晶体），表面钝化的纳米晶体是消除 PeLED 中由离子迁移引起的毫秒级 EL 上升的有希望的候选者。 离子倾向于通过卤化物空位迁移，特别是缺陷表面和晶界是离子迁移的关键通道。 以前的研究表明，纳米晶体薄膜中的离子迁移能垒比体相薄膜中的能垒高得多，这是因为纳米晶体之间的绝缘配体而不是晶界。 因此，对于表面钝化的纳米晶体薄膜，如果去除每个纳米晶体中的空位，则能垒可以进一步提高。 虽然该概念在理论上是已知的，但制造表面钝化的钙钛矿纳米晶体薄膜仍然是一个挑战。 由于配体键能弱，钙钛矿纳米晶体在薄膜沉积过程中不可避免地会发生配体损失，从而产生表面卤素空位。复盖纳米晶体薄膜的钝化层无法修饰薄膜内部每个纳米晶体的表面空位。叶志镇教授团队针对钙钛矿材料的离子迁移问题，提出了创新的单颗粒钝化策略，有效地抑制了离子迁移，提高了 PeLEDs 的响应速度。l BF4- 离子钝化： 研究人员使用 BF4- 离子来钝化钙钛矿发光层中的每一个纳米晶体。这种钝化策略可以有效地消除材料中的缺陷，并形成离散的纳米结构，从而抑制离子迁移。l应用于不同颜色： 这种单颗粒钝化策略可以应用于不同颜色的钙钛矿奈米晶薄膜，包括紅色 (635 nm)、綠色 (520 nm) 和藍色 (475 nm)，這為實現全彩 PeLED 顯示奠定了基礎。【突破性的成果】叶志镇教授团队的努力最终获得了丰硕的成果：l   所有 PeLED 器件都展现出微秒级响应时间，并具有很高的外部量子效率：红色器件为 22.7%、绿色器件为 26.2%、蓝色器件为 18.1%。l   研究人员利用这种微秒级响应的 PeLED，成功制备了具有高效率 (20% 以上) 和高亮度 (500-3000 cd m-2) 的绿色主动矩阵 PeLED，分辨率达到每英寸 30 像素。l   成功研制出具有微秒级响应时间的全彩主动矩阵 PeLED 显示器，分辨率达到每英寸 90 像素。【未来展望】这项研究为高刷新率的 PeLED 显示技术的发展提供了新的可能性，并为 PeLED 向商业化应用迈出了重要的一步。应用前景可分别为i.           高分辨率显示器：钙钛矿发光二极管的高效率和宽色域使其非常适合应用于高分辨率显示器，如智能手机、平板电脑和电视等。ii.           柔性和可穿戴设备：钙钛矿材料的柔性和低成本制造优势，使其非常适合应用于柔性显示器和可穿戴设备。结合AM技术，可以实现高性能的柔性电子产品。iii.           虚拟现实（VR）和增强现实（AR）设备：高亮度和快速响应的钙钛矿发光二极管显示技术非常适合应用于VR和AR设备，提供更逼真的视觉体验。iv.           透明显示器：通过结合透明电极和钙钛矿发光材料，可以实现高透明度的显示器，适用于汽车抬头显示器和智能窗户等应用。未来，研究人员将继续探索更有效的钝化策略，并结合其他先进技术，进一步提高 PeLED 的性能，推动该技术在高刷新率显示、照明等领域获得更广泛的应用。【图文解读】Figure 2. a.石英基底上经 TBABF4 处理和未经处理的 CsPbBr3 薄膜的吸收和 PL 光谱。b, TBABF4 处理过和未处理过的 CsPbBr3 薄膜的时间分辨聚光衰减显示平均寿命分别为 22 ns 和 33 ns。Figure 4. a-c，红色（a）、绿色（b）和蓝色（c）发射型 AM PeLED 的数码照片，显示了卡通图片。 d-f，红色（d）、绿色（e）和蓝色（f）发射型 AM PeLED 在不同 Vdd 驱动电压下的 EL 光谱，显示了一个具有窄半最大全宽 (FWHM) 的单峰Figure S1. 展示了 CsPbBr3 纳米晶在溶液中的吸收光谱和 PL 光谱，以及时间分辨 PL 衰减曲线。重要性： CsPbBr3 纳米晶在溶液中的光学特性，为研究者提供纳米晶的基本信息。原文出处: Nature Electronics