超高亮度直接发光二极管激光器

金属卤化物钙钛矿材料具有可溶液法制备、高荧光量子效率、高色纯度等特点。近年来，钙钛矿发光二极管（PeLED）的器件效率提升迅速，成为下一代照明与显示技术的有力竞争者。然而，由于钙钛矿材料较大的折射率，导致大量的光子被限制在器件内部，阻碍了PeLED效率的进一步提升。近日，南京工业大学黄维院士和王建浦教授团队在国际顶尖期刊Nature子刊 Light: Science & Applications 发表论文，他们提出通过构筑光学微腔，制备顶发射PeLED，从而大幅度提升器件效率的新思路。光学微腔一方面能够通过Purcell效应提高辐射复合速率，提升材料的荧光量子效率；另一方面，优化的微腔结构可以使更多光子沿着微腔的光轴出射，从而提高器件的出光耦合效率。现代信息社会的快速发展，对发光显示技术提出了高效率、高亮度、柔性可穿戴等要求。传统的无机发光二极管通常在单晶衬底上通过外延法生长制备，难以获得大面积柔性器件。近年来快速商业化的有机发光二极管能够通过溶液法、蒸镀法制备大面积柔性器件，但有机材料本身的激子特性使其难以在大电流下实现高亮度和高效率。钙钛矿材料兼具无机半导体高导电性和有机材料可溶液法制备的优点，在下一代显示领域极具竞争力。然而，近年来底发光PeLED的效率逐渐达到瓶颈，效率提升速度放缓。发光二极管的效率是由荧光量子效率、载流子注入效率、光耦合效率共同决定的。平板型底发光器件的光耦合效率通常为20%左右，其发光层发出的光子大部分被限制在了器件内部，无法从正面出射。另一方面，将发光器件应用于显示时，还需加上不透光的控制电路，因此显示面板上一部分区域无法发光，也就是产业化过程中面临的开口率的问题。设计具有微腔结构的顶发光器件，能够有效地同时解决以上两个问题。这是由于微腔结构能够提高器件的出光耦合效率，而顶发光能够解决显示面板的开口率问题。图1 顶发光器件和底发光器件构筑基于光学微腔的高效率PeLED需要解决三个难题：1）制备具有高荧光量子效率的钙钛矿薄膜；2）制备高质量光学微腔；3）实现器件内部平衡的载流子注入。在钙钛矿薄膜的选择上，作者选择了具有多量子阱（MQW）结构的准二维钙钛矿。其优点在于，通过调控大尺寸阳离子和小尺寸阳离子的组分，能够精确地调控钙钛矿的结晶性、形貌以及薄膜内部量子阱的分布。基于此思路，作者获得了致密的MQW钙钛矿薄膜，并将其荧光量子效率提升到了78%。图2 MQW-PeLED的能级结构及钙钛矿层形貌构筑高质量的光学微腔需要在器件的两端分别制备全反射和半反射的电极。为此，作者在器件底端蒸镀了100 nm的金电极作为全反射层，并且优化了顶端半反射金电极的厚度，将器件的光耦合效率从20%提升到了30%。要实现增强型的微腔效应，还需将微腔的光学长度设计到发光半波长的奇数倍。作者发现，通过调控电子传输层ZnO和空穴传输层TFB的厚度，可以有效地调控微腔的光学长度。值得注意的是，优化ZnO、TFB厚度的同时，还要考虑发光层在微腔内部所处的位置是否位于微腔效应增强的位置。此外，高性能PeLED的实现还依赖于器件内部载流子的平衡注入。作者前期的研究表明，MQW钙钛矿层内部存在快速的（皮秒量级）能量转移，从而使得发光区域主要位于与TFB的交界处。考虑到ZnO和TFB都具有较高的载流子迁移率，因此ZnO的厚度通常低于TFB的厚度。图3 微腔器件内部不同位置的增强效果及发光区域基于以上对钙钛矿发光层、器件光学结构及载流子注入/输运方面的优化，作者将微腔结构顶发射PeLED的外量子效率提升至20.2%。该器件表现出显著的微腔效应，不同于底发光器件的朗博体发光，顶发射微腔PeLED在正面的出光显著增强，从而大幅度提升了光耦合效率。图4 微腔器件外量子效率及发光轮廓较低的光耦合效率是限制平板发光的重要原因之一，该工作将顶发射微腔结构应用于PeLED，实现了超过20%的外量子效率，是目前顶发射PeLED的效率最高值。该工作的发表，使钙钛矿这种明星材料在LED实际应用方面更进了一步。此外，高质量微腔的制备及其器件内整合，也对电泵浦钙钛矿激光器的实现具有重要的借鉴意义。文章信息：该成果以“ Microcavity top-emission perovskite light-emitting diodes ”为题发表在 Light: Science & Applications 。本文共同第一作者为南京工业大学先进材料研究院博士生缪炎峰、程露、邹伟，通讯作者为王建浦教授、黄维院士、彭其明副研究员。论文地址：https://www.nature.com/articles/s41377-020-0328-6文章来源：中科院长春光机所 Light学术出版中心

我国研制的新型有机发光二极管应用前景广阔 　　最新一期的美国《应用物理杂志》刊登了一项来自中国科研工作者的最新研究成果———中国科学院长春应用化学研究所科学家开发出的一种制造成本较低、发光效率高的叠层型有机发光二极管。 　　有机发光二极管(OLED)是一种薄膜发光二极管(LED)，它的发射层是一种有机复合物。这些器件的加工相比传统的LED成本低很多，它既可以用作电视屏幕、计算机显示屏、便携式系统的显示屏，也可以用于照明设备等。相比传统的LCD显示，OLED显示的一个最大的好处就是它不需要背光，这意味着它需要的电流较小，用同样的电池它能够工作的时间更久，可以广泛地用于小的便携式设备，这些设备大多都采用单色的、低分辨率的显示屏以降低功耗。 　　有机发光二极管被认为是未来最重要的平板显示技术之一，在背景光源和照明领域也显示了巨大的应用前景，成为当今热门研究领域。通过自身的努力，中国科研工作者在该领域目前已经取得了令人骄傲的成绩。 　　发光二极管是半导体二极管的一种，可以把电能转化成光能，在日常生活中已有广泛应用。与白炽灯相比，发光二极管具有工作电压和电流小、抗冲击性能好、寿命长等特点。但发光二极管一般由无机半导体材料如镓、砷、磷等制成，工艺复杂，成本较高。此外，普通无机发光二极管为点光源，较难应用于大面积并需要高分辨率的组件，并且不可能做得很薄。 　　中科院长春应用化学研究所的马东阁研究员领导的研究小组，利用类似于塑料的碳基有机材料制成了有机发光二极管，其加工比较简单，成本较低，而且这种有机发光二极管是一种光源面积较大的面光源。 　　实验结果还表明，这种有机发光二极管只需要单发光层就能实现高效率，而不需要多个复杂的发光层 把单元有机发光二极管串联起来，就可以实现更高的工作效率。“简单的单发光层，通过叠层结构实现了高效率，110 cd/A(电流效率)效率应该是目前白光器件较高的效率。”马东阁说，他们开发的有机发光二极管在成本、发光模式等方面优势明显，在照明、显示器背光源等领域拥有良好的应用前景。 　　据悉，自从1987年世界上第一个高效率OLED在美国成功问世以后，OLED的发展引起世界工业界和科技界的广泛重视，开始在全世界迅速发展。“我们从1996年开始OLED的研究，特别是最近几年，我们在该领域做了大量工作，开发出了高效率、长寿命的红、绿、蓝OLED，也开发了高效率的白光OLED，并正在推动其产业化。”马东阁说。 　　据了解，从OLED的结构、制备工艺、驱动电路和发光性能等方面考虑，它具有许多的优点：厚度薄、质量轻，其核心厚度可小于1毫米，约为LCD的1/3 全固态结构，抗震性好，可以适应巨大加速度、振动等恶劣环境 响应速度快，约为数微秒至数十微秒，比LCD快1000倍，可显示活动图像 材料消耗少，制备工艺简单(一般只需要86道工序，而LCD需要200道工序)，成本至少比LCD低20%，易于大规模生产 低直流电压驱动(最低电压仅为3伏特)、功耗低(2.4英寸多晶硅OLED模块的功耗为605微瓦) 无需背光照明，能够在不同材质的基板上制作成可以弯曲的柔软显示器等。 　　众多优点决定了其广阔的应用前景，目前，日本、英国、德国、美国和荷兰等国家在OLED方面已取得了很大的成就，但基本还处于实验阶段，市场占有率很低，这主要是由于其技术上还存在一些亟待解决的问题。如稳定性差、寿命低、彩色序列组合方面工艺不成熟等。“尽管目前全球还没有OLED产品诞生，但国外预计2010年和2011年后将有产品问世，我们也在跟踪世界前沿，加速产业化进程。”马东阁表示，“白光OLED要得到应用，现在必须解决效率、寿命和成本问题，除了材料成本的降低，简化结构应该是降低成本的最主要的工艺。另外，叠层是实现OLED高效率、长寿命的最主要器件结构，具有重要的应用开发价值”。 　　业内人士指出，OLED产业之所以吸引了全世界，特别是国内“眼球”的关注，首先是因为OLED是未来极具潜力的平板显示产品，符合超薄、节能、低成本、环保等硬件要求。另外OLED产品处于开发初期，新的应用领域有待开拓，中国有机会在OLED领域处于领先水平。另外就是国家以大力发展平板显示行业为政策导向，众多的投资可以支持OLED事业的发展。 　　马东阁认为，我国的有机发光二极管产品如果想从技术、质量等方面达到世界先进水平，很好地实现产业化，需要继续改善器件在高亮度下的效率问题，开发新的工艺，降低成本，满足产业化要求，改善大面积化的均匀性问题，继续改善器件稳定性和解决好产业化工艺与技术问题，做好市场开发工作。《中国质量报》

日前，岛津公司研发的光纤耦合型高亮度蓝光直接二极管激光器「BLUE IMPACT」获得了日刊工业新闻社主办的 “2015年度超级部件制造大奖”。该奖项主要用于表彰对日本产业、社会发展作出突出贡献的部件及部材。共分为“机械”、“电子电器”、“汽车”、“环境”、“健康/医疗器械”、“生活相关”六大领域，分别予以表彰。从2007年起直至去年，岛津公司装置类产品曾连续八年获奖，但斩获“超级部件制造大奖”尚属首次。 光纤耦合型高亮度蓝光直接二极管激光器「BLUE IMPACT」（左）10月13日格兰皇宫饭店颁奖仪式现场（右） 本次荣获“超级部件制造大奖”的光纤耦合型高亮度蓝光直接二极管激光器「BLUE IMPACT」采用了蓝光氮化镓类半导体激光，是全球首个完成产品化的激光加工用光源。 本产品采用岛津特有技术，通过将多个激光元件多重合成为直径100μ m以下的微细光纤，在维持高输出效率的同时，实现了世界顶尖水平的能源密度。原来经常使用的红外半导体激光，在进行金、铜等材料加工时，由于金、铜吸收红外光较少，很难完成加工。但光纤耦合型高亮度蓝光直接二极管激光器可以作为这些材料的微细加工光源使用。 【本产品相关评价】 光纤耦合型高亮度蓝光直接二极管激光器「BLUE IMPACT」获得了来自“超级部件制造大奖”事务局的好评。 l “一直以来，蓝光半导体激光用于加工用途时，很难克服输出效率、能量密度等课题。并且，从商品化角度来考虑，成本也不合算。岛津公司本次入选的这款产品，作为光源单元实现了产品化并完成了市场投入。” l “岛津公司的多重合成技术成功将多个激光元件发出的光汇集到微细光纤中，实现了高输出功率、高密度光源。可以说该技术攻克了难度系数非常高的课题。” l “高输入功率、高密度蓝光激光除可用于加工用途外，还有望和绿光、红光结合使用，使应用更加多样化。由于通用性、可行性高，可以说该技术实现了一项重大突破。” 关于岛津 岛津企业管理（中国）有限公司是（株）岛津制作所于1999年100%出资，在中国设立的现地法人公司，在中国全境拥有13个分公司，事业规模不断扩大。其下设有北京、上海、广州、沈阳、成都分析中心，并拥有覆盖全国30个省的销售代理商网络以及60多个技术服务站，已构筑起为广大用户提供良好服务的完整体系。本公司以“为了人类和地球的健康”为经营理念，始终致力于为用户提供更加先进的产品和更加满意的服务，为中国社会的进步贡献力量。 更多信息请关注岛津公司网站www.shimadzu.com.cn/an/。 岛津官方微博地址http://weibo.com/chinashimadzu。 岛津微信平台