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钙钛矿LED有望彻底革新照明与显示

来源:中国科学报   更新时间:2019-06-06 13:14:12    

  在太阳能电池中,一种被称为钙钛矿的廉价且容易制造的材料非常擅长将光子转化为电能。如今,钙钛矿将派上新的用途,将电子转化为光,其效率堪比手机和平板电视中常见的商用有机发光二极管(LED)。这种材料将来会有什么作用呢?研究人员上周在《科学进展》杂志上发表报告称,他们已经使用一台3D打印机在全彩显示器上用钙钛矿打印图案。

  英国剑桥大学物理学家Richard Friend说:“这是一个了不起的研究结果,非常鼓舞人心。”Friend的团队在2014年研制出第一枚钙钛矿LED。这一研究结果为未来的电脑屏幕和巨型显示器由这些廉价的晶体物质(由普通原材料制造)构成带来了希望。然而,Friend警告说,新的钙钛矿显示器还没有商业可行性。

  目前半导体LED(包括有机LED)中的材料需要在真空室的高温下进行处理,从而确保所得到的半导体是纯净的。相比之下,钙钛矿只需在室温下将其化学成分混合在溶液中即可制备。同时只需要简单的热处理便可使它们结晶。即使钙钛矿晶体最终有缺陷,这些缺陷通常也不会破坏材料的发光功能。

  在大多数钙钛矿LED中,夹在发光材料中间的电极负责传递电荷。当电荷在“三明治”的中心相遇时,电子就会填补这一空缺,并以光子的形式释放出一点能量。

  光子的颜色取决于钙钛矿的化学成分,这使得研究人员可以通过改变钙钛矿的配方来调整光子的颜色。剑桥研究团队的第一枚钙钛矿LED发出了近红外、红色或绿色的光,这取决于它们的构成。从那时起,该团队和其他团队陆续制作出全光谱颜色的钙钛矿LED。

  最早的钙钛矿LED仅能将0.76%的电子转化为光子。这是因为穿过材料的电荷被困在组成材料的无数晶体之间。如今许多团队已经克服了这个障碍。例如,去年年底,Friend的团队在《自然—光子学》杂志上报道称,通过添加一层发光聚合物,从而引导电荷绕过表面缺陷,他们已经制造出了效率为20.1%的红色钙钛矿LED。

  加拿大多伦多大学化学家Edward Sargent领导的研究团队去年采用了另一种不同的方法,在钙钛矿配方中加入一种添加剂,从而在钙钛矿晶体周围形成结晶壳。研究人员在《自然》杂志上报告说,这些外壳阻止了表面缺陷捕获电荷,从而产生了一种绿色钙钛矿,其效率为20.3%。这仍然远远低于许多无机LED的效率,但对于某些应用来说已经足够。

  瑞典林雪平大学物理学家Feng Gao领导的研究人员在3月25日的《自然—光子学》网络版报道称,他们开发了一种方法来解决缺陷问题。研究人员瞄准了钙钛矿晶体边缘的铅离子捕获电子的倾向。通过添加一种与铅结合的物质,他们减少了离子对电子的捕获,创造了一种近红外LED,效率为21.6%。

  Friend表示,过去5年的成绩“相当惊人”。不过,这些钙钛矿设备的寿命都没有超过50个小时,远远低于商业使用所需的10000小时。Gao说,钙钛矿晶体为什么在几十小时后就会分解还不清楚。但他指出,早期的有机LED寿命也很短。钙钛矿太阳能电池制造商通过保护设备免受空气和湿度的影响,在很大程度上解决了类似的寿命问题。Gao说:“我很乐观,这个领域能快速发展,钙钛矿LED也能得到改善。”

  哈佛大学材料科学家Jennifer Lewis领导的研究团队的最新成果,可能会为构建显示器提供新的策略。Lewis和她的同事使用3D打印机在彩色显示器中排列微小的线状钙钛矿结构。Lewis说,当携带纳米线的“墨水”通过打印机喷嘴时,剪切力使它们对齐。纳米线的共同方向使每个LED发出的光具有单一的首选振荡或偏振。

  对于他们的原型显示器,Lewis的团队并没有把每一个LED都连接到电极上;相反,研究人员将整个显示器暴露在紫外线下。就像施加电压一样,紫外光将电子踢出它们的正常状态,允许它们移动。然后,它们可以与空位重新组合,发出可见光。但是由于发出的光是偏振的,Lewis和她的同事需要用偏振滤波器来控制它。

  在一个例子中,研究人员使用了3种不同的钙钛矿配方来创建显示器,其中每个像素并排包含一个红、绿、蓝点,每个点的纳米线方向偏移60°。通过旋转偏振滤光片,研究人员可以混合颜色或分离单一颜色。

  Sargent说,钙钛矿LED还面临很多障碍。但他补充说,“这项工作将跨越未来10年,展示出我们可以做哪些很酷的事情。”(赵熙熙)

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