新型鈣鈦礦基LED：明亮、高效、前景好

背景

這些年來，用電發光的幾項技術一直在開發中。電流施加時會發光的器件，被稱為“電致發光器件”。它比傳統白熾燈的亮度要高幾個數量級。發光二極管（LED）成為這些設備中最重要且普遍的類別。如今，各式各樣的LED出現在我們生活中。我們對於量子力學、固態物理學的理解以及替代性材料的使用，讓這一切變成現實。

電致發光器件由幾層組成，最重要的是發光層（EML），它會發出光線來響應電流。金屬鹵化物鈣鈦礦，化學式為CsPbX3 （X = I, Br, Cl），最近被成為是非常有望用於製造發光層的材料。然而，與通常用於設計電視與智能手機顯示屏的有機LED相比，鈣鈦礦基LED（PeLED）性能較差。

一些科研人員建議採用低維（也就是說，發光結構單元在平面上連接，或者在晶體結構中線性連接。）鈣鈦礦，它可以基於激子的量子限域效應，改善發光特性。激子是“電子-空穴”的配對，它能高效地發出光子。然而，低維鈣鈦礦具有一個內在缺陷：這些材料的導電性能很差，也就是說遷移率很低，而這種低遷移率將導致低功率效率。

創新

有意思的是，日本東京工業大學教授細野秀雄（Hideo Hosono）領導的研究團隊經過探索，採用三維鈣鈦礦設計出高效的鈣鈦礦基LED。這種鈣鈦礦具有更高的電子與空穴遷移率，因此可以解決低維鈣鈦礦的局限性問題。

下圖所示：光致發光（PL）是指由吸收入射光子而產生的發光，而電致發光（EL）是指由於電流供應的能量產生的發光。儘管低維鈣鈦礦比三維鈣鈦礦具有更好的光致發光特性，但是後者卻具有更好的電致發光特性，可以被用於設計非常明亮且高效的鈣鈦礦基LED。

技術

團隊想要研究的是，利用與鈣鈦礦鄰近的新的電子傳輸層，在低維材料中產生並導致卓越發光特性的量子限域效應，是否也會出現在三維材料中。在電致發光器件中，發光層像三明治一樣位於兩層（電子傳輸層與空穴傳輸層）之間。這兩層在保證器件良好導電性方面扮演著關鍵角色。團隊發現，這些層的能級特徵也在電致發光器件的發光效率方面扮演著至關重要的角色。

通過調諧鈣鈦礦基LED的電子與空穴傳輸層的特性，團隊可以保證激子被束縛在發光層中，從而防止上述情況發生。細野秀雄解釋道：“如果電子/空穴傳輸層的能級對於束縛激子來說是足夠的，那麽整個器件結構在某種意義上可以被認為是一個可擴展的低維材料。”

價值

團隊報告稱，從高亮度、高能量效率和低工作電壓的角度來說，三維鈣鈦礦基LED具有破紀錄的性能。

除了這些實際成果，這項研究弄清楚了材料的激子相關特性是如何受到鄰近層影響的，並為開發光學器件提供了一種容易採用的策略。細野秀雄總結道：“我們相信，這項研究為實現實用的鈣鈦礦基LED提供了新的認識。”這些在發光材料方面非常有趣的進展預示著，一個更加光明的未來似乎正在向我們招手。

關鍵字

LED、鈣鈦礦、激子

參考資料

【1】Kihyung Sim, Taehwan Jun, Joonho Bang, Hayato Kamioka, Junghwan Kim, Hidenori Hiramatsu, Hideo Hosono.Performance boosting strategy for perovskite light-emitting diodes. Applied Physics Reviews, 2019; 6 (3): 031402 DOI: 10.1063/1.5098871

【2】https://www.titech.ac.jp/english/news/2019/044998.html