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“溶剂筛”精准发力 二极管性能飙升

来源:科技日报 江耘 访问:267 时间:2024-02-22

钙钛矿材料具有光电性能优异、制备成本低的优点。与目前常见的有机发光二极管(OLED)相比,钙钛矿发光二极管可以将色彩纯度提升至少1倍。近年来,钙钛矿发光二极管的发光效率持续提升,但稳定性仍制约其应用。

近日,记者从中国科学院宁波材料技术与工程研究所获悉,该所先进纳米光电材料与器件团队通过开发“溶剂筛”,有效去除薄纳米片相,使钙钛矿材料的稳定性和发光性能大幅提升。由此制备出的钙钛矿发光二极管稳定高效,达到了商业化应用的要求。相关论文发表在国际学术期刊《自然-光子学》上。

劣质成分影响材料稳定性

从显像管、液晶、等离子显示到现在广泛应用的OLED显示,新的发光显示材料革新一直推动着发光显示技术参数的不断飞跃。然而,当前OLED显示技术受到有机材料的制约,其稳定性和色彩纯度方面仍有待提升。

为此,寻找新型发光显示材料突破现有瓶颈尤为重要。钙钛矿材料是一类和天然钛酸钙矿石具有相同晶体结构的独特材料,具有光电性能优异、制备成本低的优点。从2014年首个常温钙钛矿发光二极管见诸报端开始,短短10年间,钙钛矿已经成为目前最具前途的光电材料之一。

上述论文第一作者、中国科学院宁波材料技术与工程研究所与宁波诺丁汉大学联合培养博士生丁硕介绍,钙钛矿发光二极管被认为是下一代发光显示技术最有力的竞争者之一。常规电子产品正常使用时的亮度大致是100坎德拉每平方米(100cd/m2)。在这一亮度的限定条件下,发光二极管的亮度越高,寿命越短。

“因为钙钛矿发光二极管自身结构的限制,其发光效率的上限约为30%。近年来的研究成果中,其发光效率屡屡突破20%,但钙钛矿发光二极管在正常使用亮度下的运行寿命普遍不到20小时。”丁硕说,对于影响钙钛矿材料稳定性的根本来源认知还不够深入,制约着钙钛矿发光二极管性能的提升和商业化应用进程。

研究团队对具有代表性的准二维钙钛矿材料内部的精细纳米结构进行深入分析,找出了内部较薄的纳米片是诱发钙钛矿不稳定的关键来源。丁硕解释说,这些较薄的纳米片是由快速不可控的结晶过程形成的,本身结晶质量差,缺陷较多,容易分解。它们的分解会进一步诱发钙钛矿薄膜整体的分解,从而降低钙钛矿材料的稳定性。

混合溶剂精准消解薄纳米片

由于薄纳米片的尺度在纳米量级,又与其他结构紧密地堆积在一起,想要去除它们的难度不亚于从一片广袤的森林中精准地分捡出某种形状的树叶,常规的宏观处理方法很难奏效。

为此,该团队从滤沙筛网得到启发,开发出“溶剂筛”——一种极性溶剂和非极性溶剂的组合。通过对溶剂关键参数如极性、配位能力的深入理解和把握,该团队在1个月内便确定了理想的极性溶剂和非极性溶剂组合的参数范围,并在参数范围内开发出以正己胺/氯苯为代表的数十种具有明显筛分能力的“溶剂筛”组合,显著扩展了人们有效调控钙钛矿的能力。

据了解,较薄纳米片比起其他组分更容易溶于极性溶剂。精准调控极性溶剂在溶剂组合中的比例,就可以刚好只溶解掉具有一或二层铅离子的薄纳米片,同时不伤害钙钛矿材料中的其他结构。

丁硕介绍,“溶剂筛”的使用方法非常简单,将合适比例的“溶剂筛”滴在钙钛矿表面,几秒内就能实现对薄纳米片的精确去除,随后通过退火将钙钛矿烘干即可。

科研人员发现,通过“溶剂筛”去除薄纳米片后,对空气极为敏感的钙钛矿材料展现出惊人的稳定性,可在湿润空气中保持发光性能超过100天。这使得通过低成本空气环境制备钙钛矿发光二极管的工艺,有可能取代常规高成本惰性气体保护和高真空环境制备工艺。

丁硕告诉记者,用“溶剂筛”处理后的钙钛矿制备的矿发光二极管,展现出在100cd/m2亮度下超过5万小时(5.7年)的运行寿命,较处理之前提升了近30倍,是目前所有绿光钙钛矿发光二极管的最高值。同时,钙钛矿发光二极管的发光效率也达到了29.5%,创造了目前无光提取设计的钙钛矿发光二极管效率的新纪录,显著提高了电转化为光的效率,简化了散热设计的需求。

新工具与工业生产流程适配

“这一研究成果扭转了先前人们对于钙钛矿材料本身缺乏稳定性的认知,证明通过合理的结构设计优化可以充分释放钙钛矿材料的本征稳定性潜能,实现了高度稳定的钙钛矿发光二极管制备。”丁硕介绍。

丁硕认为,“溶剂筛”的发明,丰富了人们操控钙钛矿精细纳米结构的工具箱,为未来开发具有独特纳米结构和性能的钙钛矿材料奠定了坚实基础。

如何让“溶剂筛”从实验室走进工业生产流水线?对此,丁硕介绍,“溶剂筛”处理方法简单、所需时间极短、成本低廉,并且其处理工艺与现有半导体工业化生产中广泛采用的清洗工艺非常相似。

具体而言,基于现有半导体清洗设备,通过简单的参数调整,即可实现“溶剂筛”的处理工艺直接与现有半导体工业生产流水线兼容集成,无需进行新设备的开发便可以匹配现有大规模工业化生产的流程,不产生额外的设备成本。

丁硕表示,这项研究结果无疑为钙钛矿材料在发光显示领域的应用铺平了道路,将加快钙钛矿发光显示器件走入千家万户的进程。

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