近日，中国科学院黄维院士、南京工业大学柔性电子(未来技术)学院王建浦教授和朱琳副教授团队合作在钙钛矿发光二极管(LED)研究领域取得重大突破。研究团队通过加快辐射复合速率，显著提高荧光量子效率，使钙钛矿LED外量子效率突破30%大关，接近实现产业化的水平。相关成果发表在《自然》上。
众所周知，LED是新型显示领域的关键核心技术，在高端制造业中具有非常重要的地位。薄膜LED技术是一类可以把LED器件大面积制备于任意基底(包括柔性基底)的关键技术，也是目前主流手机显示屏制造所普遍采纳的先进技术。而基于钙钛矿半导体材料的LED是一类新兴的薄膜LED技术，具有加工工艺简便、高亮度高效率等特性。近年来，钙钛矿LED技术在光电器件研究领域备受瞩目，成为全球新型发光与显示技术激烈竞争的焦点。
钙钛矿发光材料有三维、低维之分，其中三维钙钛矿最有潜力实现高亮度下的高效率发光，对未来发光显示技术实现产业化意义重大。然而，近年来三维钙钛矿LED外量子效率普遍停留在20%左右，整体性能提升遭遇瓶颈。“外量子效率由荧光量子效率和光提取效率共同决定。目前，器件光提取效率限制已被突破，荧光量子效率的提升却未及预期。荧光量子效率是辐射复合与非辐射复合过程竞争的结果，也就是说，为了提升荧光量子效率，需要抑制非辐射复合、提升辐射复合。在以往的研究中，研究人员大多采取缺陷钝化的方式来抑制非辐射复合。但即使三维钙钛矿薄膜缺陷密度已经减少到单晶钙钛矿水平，荧光量子效率仍普遍停留在70%左右。”王建浦介绍说。
为解决这一世界性难题，该团队另辟蹊径，创造性地提出了一种通过调控晶体生长的方法，生成辐射复合速率更快的钙钛矿晶相，从而显著提高了荧光量子效率。同时，团队巧妙地运用这一创新性方法成功地保持了三维钙钛矿的亚微米结构，使器件的光提取效率不受影响，达到了双管齐下的效果。该研究由此实现了96%的荧光量子效率和大于30%的光提取效率，并进一步制备出外量子效率达到32%的高效钙钛矿LED，再次创造了钙钛矿LED发光效率的世界纪录。“我们同样发现，器件在高亮度下仍能保持高效率，即使在每平方厘米100毫安的大电流密度下，外量子效率仍能保持在30%以上。”朱琳介绍说。
谈及钙钛矿LED的发展，黄维院士表示，这一重大创新突破彰显了基于钙钛矿半导体材料的薄膜LED技术的巨大潜力，将推动基于钙钛矿LED的显示技术以及探测技术的产业化步伐，也预示着其在绿色照明、航空航天和健康医疗领域的广泛应用前景。