中国科大Nature肖正国教授团队采用“弱空间限域”策略实现超稳定钙钛矿LED

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近日，肖正国教授带领的研究团队在提高钙钛矿发光二极管（LED）寿命方面取得了重要进展。他们提出了一种被称作“弱空间限域”的新方法，制备出了晶体颗粒更大、更耐高温的全无机钙钛矿薄膜，成功将LED亮度提高到116万尼特以上，使用寿命超过18万小时。6月11日，相关成果以“Weakly space-confined all-inorganic perovskites for light-emitting diodes”为题，发表在《Nature》期刊上。
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钙钛矿是一种性能优越的新型材料，具有高发光效率、成本低廉和制作灵活的优点，在太阳能电池、LED和探测器中应用前景广泛。然而，由于传统的钙钛矿材料中，电子和空穴（负责发光的电荷）难以有效碰撞发光，因此科研人员之前多采用“强空间限域”的方法——例如制作非常小的纳米颗粒或极薄的材料层，来提高发光效率。但这种方法的缺点是LED很难达到高亮度，而且使用寿命短，通常只能持续工作数小时，很难用在实际生活中的产品中。


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图1.不同空间限域的钙钛矿

& {' K: R" Y' C5 u为了解决这一难题，肖正国教授团队开发了一种完全不同的“弱空间限域”技术。他们在钙钛矿材料里添加了特定的化合物（次磷酸和氯化铵），通过高温退火工艺，制备出晶体颗粒更大、缺陷更少的新型钙钛矿薄膜。这种新材料内部更加有序，避免了传统方法的小晶体所带来的缺陷问题，极大地提升了LED的稳定性和亮度。
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在效率方面，新型钙钛矿LED的发光效率超过22%，已经和商业化显示产品的发光效率持平。与目前市场上的主流商用OLED或LED屏幕相比，新型钙钛矿LED的极限亮度达到了116万尼特（显示屏幕的最高亮度通常在数千尼特以内），按照正常亮度100尼特计算，理论上能使用超过18万小时，已经达到商业化LED产品的广泛标准。这项突破性技术不仅成功克服了以往钙钛矿LED在效率和稳定性上难以兼得的技术瓶颈，更有望在未来广泛应用于高端显示屏、超高亮度照明等领域，推动LED技术进入一个崭新的时代。



7 t. k4 i2 G+ @$ r% @% Y' y2 Z图2a.钙钛矿LED结构;b.钙钛矿LED工作时照片;c.三种不同空间限域钙钛矿LED的亮度和效率关系曲线；d.弱空间限域钙钛矿LED寿命外推拟合曲线；e, f.目前已发表的绿光钙钛矿LED效率分别和亮度（e），寿命（f）的统计对比图
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该研究由中国科学技术大学物理学院博士研究生彭琛琛、姚海涛、Othman Ali、特任副研究员陈文静和复旦大学微电子学院杨迎国研究员共同完成，肖正国教授为通讯作者。这项工作获得了国家重点研发计划、国家自然科学基金和安徽省高校协同创新计划专项资金的支持。