近日，中國科學院黃維院士、南京工業大學柔性電子(未來技術)學院王建浦教授和朱琳副教授團隊合作在鈣鈦礦發光二極管(LED)研究領域取得重大突破。研究團隊通過加快輻射復合速率，顯著提高熒光量子效率，使鈣鈦礦LED外量子效率突破30%大關，接近實現產業化的水平。相關成果發表在《自然》上。
眾所周知，LED是新型顯示領域的關鍵核心技術，在高端制造業中具有非常重要的地位。薄膜LED技術是一類可以把LED器件大面積制備于任意基底(包括柔性基底)的關鍵技術，也是目前主流手機顯示屏制造所普遍采納的先進技術。而基于鈣鈦礦半導體材料的LED是一類新興的薄膜LED技術，具有加工工藝簡便、高亮度高效率等特性。近年來，鈣鈦礦LED技術在光電器件研究領域備受矚目，成為全球新型發光與顯示技術激烈競爭的焦點。
鈣鈦礦發光材料有三維、低維之分，其中三維鈣鈦礦最有潛力實現高亮度下的高效率發光，對未來發光顯示技術實現產業化意義重大。然而，近年來三維鈣鈦礦LED外量子效率普遍停留在20%左右，整體性能提升遭遇瓶頸。“外量子效率由熒光量子效率和光提取效率共同決定。目前，器件光提取效率限制已被突破，熒光量子效率的提升卻未及預期。熒光量子效率是輻射復合與非輻射復合過程競爭的結果，也就是說，為了提升熒光量子效率，需要抑制非輻射復合、提升輻射復合。在以往的研究中，研究人員大多采取缺陷鈍化的方式來抑制非輻射復合。但即使三維鈣鈦礦薄膜缺陷密度已經減少到單晶鈣鈦礦水平，熒光量子效率仍普遍停留在70%左右。”王建浦介紹說。
為解決這一世界性難題，該團隊另辟蹊徑，創造性地提出了一種通過調控晶體生長的方法，生成輻射復合速率更快的鈣鈦礦晶相，從而顯著提高了熒光量子效率。同時，團隊巧妙地運用這一創新性方法成功地保持了三維鈣鈦礦的亞微米結構，使器件的光提取效率不受影響，達到了雙管齊下的效果。該研究由此實現了96%的熒光量子效率和大于30%的光提取效率，并進一步制備出外量子效率達到32%的高效鈣鈦礦LED，再次創造了鈣鈦礦LED發光效率的世界紀錄。“我們同樣發現，器件在高亮度下仍能保持高效率，即使在每平方厘米100毫安的大電流密度下，外量子效率仍能保持在30%以上。”朱琳介紹說。
談及鈣鈦礦LED的發展，黃維院士表示，這一重大創新突破彰顯了基于鈣鈦礦半導體材料的薄膜LED技術的巨大潛力，將推動基于鈣鈦礦LED的顯示技術以及探測技術的產業化步伐，也預示著其在綠色照明、航空航天和健康醫療領域的廣泛應用前景。
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