“溶劑篩”精準發力二極管性能飆升

　　鈣鈦礦材料具有光電性能優異、制備成本低的優點。與目前常見的有機發光二極管（OLED）相比，鈣鈦礦發光二極管可以將色彩純度提升至少1倍。近年來，鈣鈦礦發光二極管的發光效率持續提升，但穩定性仍制約其應用。

　　近日，記者從中國科學院寧波材料技術與工程研究所獲悉，該所先進納米光電材料與器件團隊通過開發“溶劑篩”，有效去除薄納米片相，使鈣鈦礦材料的穩定性和發光性能大幅提升。由此制備出的鈣鈦礦發光二極管穩定高效，達到了商業化應用的要求。相關論文發表在國際學術期刊《自然·光子學》上。

　　經過“溶劑篩”處理后的鈣鈦礦發光二極管呈現明亮的綠色電致發光效果。

　　劣質成分影響材料穩定性

　　從顯像管、液晶、等離子顯示到現在廣泛應用的OLED顯示，新的發光顯示材料革新一直推動著發光顯示技術參數的不斷飛躍。然而，當前OLED顯示技術受到有機材料的制約，其穩定性和色彩純度方面仍有待提升。

　　為此，尋找新型發光顯示材料突破現有瓶頸尤為重要。鈣鈦礦材料是一類和天然鈦酸鈣礦石具有相同晶體結構的獨特材料，具有光電性能優異、制備成本低的優點。從2014年首個常溫鈣鈦礦發光二極管見諸報端開始，短短10年間，鈣鈦礦已經成為目前最具前途的光電材料之一。

　　上述論文第一作者、中國科學院寧波材料技術與工程研究所與寧波諾丁漢大學聯合培養博士生丁碩介紹，鈣鈦礦發光二極管被認為是下一代發光顯示技術最有力的競爭者之一。常規電子產品正常使用時的亮度大致是100坎德拉每平方米（100cd/m2）。在這一亮度的限定條件下，發光二極管的亮度越高，壽命越短。

　　“因為鈣鈦礦發光二極管自身結構的限制，其發光效率的上限約為30%。近年來的研究成果中，其發光效率屢屢突破20%，但鈣鈦礦發光二極管在正常使用亮度下的運行壽命普遍不到20小時。”丁碩說，對于影響鈣鈦礦材料穩定性的根本來源認知還不夠深入，制約著鈣鈦礦發光二極管性能的提升和商業化應用進程。

　　研究團隊對具有代表性的準二維鈣鈦礦材料內部的精細納米結構進行深入分析，找出了內部較薄的納米片是誘發鈣鈦礦不穩定的關鍵來源。丁碩解釋說，這些較薄的納米片是由快速不可控的結晶過程形成的，本身結晶質量差，缺陷較多，容易分解。它們的分解會進一步誘發鈣鈦礦薄膜整體的分解，從而降低鈣鈦礦材料的穩定性。

　　混合溶劑精準消解薄納米片

　　由于薄納米片的尺度在納米量級，又與其他結構緊密地堆積在一起，想要去除它們的難度不亞于從一片廣袤的森林中精準地分撿出某種形狀的樹葉，常規的宏觀處理方法很難奏效。

　　為此，該團隊從濾沙篩網得到啟發，開發出“溶劑篩”——一種極性溶劑和非極性溶劑的組合。通過對溶劑關鍵參數如極性、配位能力的深入理解和把握，該團隊在1個月內便確定了理想的極性溶劑和非極性溶劑組合的參數范圍，并在參數范圍內開發出以正己胺/氯苯為代表的數十種具有明顯篩分能力的“溶劑篩”組合，顯著擴展了人們有效調控鈣鈦礦的能力。

　　據了解，較薄納米片比起其他組分更容易溶于極性溶劑。精準調控極性溶劑在溶劑組合中的比例，就可以剛好只溶解掉具有一或二層鉛離子的薄納米片，同時不傷害鈣鈦礦材料中的其他結構。

　　丁碩介紹，“溶劑篩”的使用方法非常簡單，將合適比例的“溶劑篩”滴在鈣鈦礦表面，幾秒內就能實現對薄納米片的精確去除，隨后通過退火將鈣鈦礦烘干即可。

　　科研人員發現，通過“溶劑篩”去除薄納米片后，對空氣極為敏感的鈣鈦礦材料展現出驚人的穩定性，可在濕潤空氣中保持發光性能超過100天。這使得通過低成本空氣環境制備鈣鈦礦發光二極管的工藝，有可能取代常規高成本惰性氣體保護和高真空環境制備工藝。

　　丁碩告訴記者，用“溶劑篩”處理后的鈣鈦礦制備的礦發光二極管，展現出在100cd/m2亮度下超過5萬小時（5.7年）的運行壽命，較處理之前提升了近30倍，是目前所有綠光鈣鈦礦發光二極管的最高值。同時，鈣鈦礦發光二極管的發光效率也達到了29.5%，創造了目前無光提取設計的鈣鈦礦發光二極管效率的新紀錄，顯著提高了電轉化為光的效率，簡化了散熱設計的需求。

　　新工具與工業生產流程適配

　　“這一研究成果扭轉了先前人們對于鈣鈦礦材料本身缺乏穩定性的認知，證明通過合理的結構設計優化可以充分釋放鈣鈦礦材料的本征穩定性潛能，實現了高度穩定的鈣鈦礦發光二極管制備。”丁碩介紹。

　　丁碩認為，“溶劑篩”的發明，豐富了人們操控鈣鈦礦精細納米結構的工具箱，為未來開發具有獨特納米結構和性能的鈣鈦礦材料奠定了堅實基礎。

　　如何讓“溶劑篩”從實驗室走進工業生產流水線？對此，丁碩介紹，“溶劑篩”處理方法簡單、所需時間極短、成本低廉，并且其處理工藝與現有半導體工業化生產中廣泛采用的清洗工藝非常相似。

　　具體而言，基于現有半導體清洗設備，通過簡單的參數調整，即可實現“溶劑篩”的處理工藝直接與現有半導體工業生產流水線兼容集成，無需進行新設備的開發便可以匹配現有大規模工業化生產的流程，不產生額外的設備成本。

　　丁碩表示，這項研究結果無疑為鈣鈦礦材料在發光顯示領域的應用鋪平了道路，將加快鈣鈦礦發光顯示器件走入千家萬戶的進程。