鈣鈦礦發光二極管或將實現產業化

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鈣鈦礦發光二極管，被認為是接替現有OLED技術的最有力競爭者之一。然而運行穩定性低，成為限制其進入工業化的主要阻礙。

中國科學院寧波材料技術與工程研究所（以下簡稱“寧波材料所”）科研人員，近日研發的高效穩定的鈣鈦礦發光二極管，解決了鈣鈦礦材料的本征穩定性問題，為鈣鈦礦發光二極管的產業化指明了方向。

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不同鈣鈦礦材料和鈣鈦礦發光二極管在紫外燈下的明亮熒光（右下）。課題組供圖

2月5日，該成果以《高亮度下高效穩定鈣鈦礦發光二極管的相尺寸解析》為題由《自然—光子學》在線發表。

穩定性差的根本因素

鈣鈦礦材料是一類和天然鈦酸鈣礦石（主要成分CaTiO3）具有相同晶體結構的獨特材料，也是目前最具前途的光電材料之一，具有光電性能優異、制備成本低的優點。

同時，與目前常見的OLED技術相比，鈣鈦礦發光二極管可以將色彩純度提升至少1倍。

然而，鈣鈦礦發光二極管盡管在效率方面取得了顯著進步，但運行穩定性低的問題依舊是阻礙其投入實用的主要原因，尤其學界對于影響鈣鈦礦材料穩定性的根本來源的認知還不夠深入，都無疑阻礙了鈣鈦礦發光二極管性能的進一步提升和商業化應用進程。

寧波材料所先進納米光電材料與器件團隊，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了深入分析，找出了內部較薄的納米片——只有1或2層鉛離子——是誘發鈣鈦礦不穩定的關鍵來源。

文章第一作者、該所博士生丁碩告訴《中國科學報》，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，容易發生分解。并且，它們的分解會進一步誘發鈣鈦礦薄膜整體的分解，極大地降低了鈣鈦礦材料的穩定性。

因此，必須開發有效的方法，精準去處這些薄納米片。

“溶劑篩”法實現精準篩分

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，常規的宏觀處理方法難以奏效。

為解決這一問題，研究團隊從篩網可以篩分不同尺寸沙粒的過程得到啟發，創造性地開發出了“溶劑篩”方法，實現了對于不同厚薄的納米片的精準篩分，有效去除了薄納米片相，極大地提升了最終鈣鈦礦材料的穩定性和發光性能。

文章通訊作者、該所研究員向超宇介紹，團隊開發的“溶劑篩”是一種極性溶劑和非極性溶劑的組合。

新方法是利用較薄納米片易溶于極性溶劑的特性，如同調整篩網的大小就可以控制篩分沙粒的尺寸一樣，通過調控其中極性溶劑所占的比例，就可以實現對只有1或2層鉛離子的薄納米片的精準去除，同時不傷害鈣鈦礦材料中的其他結構。

這一方法不僅顯著提升了鈣鈦礦材料發光性能和穩定性，更極大拓展了人們對鈣鈦礦精細納米結構進行操控的工具箱，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的基礎。

圖 （左）“溶劑篩”方法的原理示意圖；（右）“溶劑篩”方法刷新了鈣鈦礦發光二極管的性能紀錄。課題組供圖

亮度高、壽命長

通過“溶劑篩”方法去除掉薄納米片后，鈣鈦礦材料展現出驚人的穩定性，不僅可以在濕潤空氣中保持發光性能超過100天，制備的鈣鈦礦發光二極管更是展現出在100坎德拉/平方米亮度下超過5萬小時（5.7年）的運行壽命，是目前所有綠光鈣鈦礦發光二極管的最高值，達到了實現商業化應用的要求。

同時，鈣鈦礦發光二極管的外量子效率也達到了29.5%，也是目前無光提取設計的鈣鈦礦發光二極管效率的記錄。

《自然—光子學》審稿人對這項研究中鈣鈦礦發光二極管實現的超高效率和運行穩定性贊嘆不已，也對文章揭示鈣鈦礦不穩定性的關鍵來源，并通過“溶劑篩”方法實現對鈣鈦礦結構的精準篩分的內部機理給予了充分的肯定。

向超宇具有廣泛的產業經驗，曾領導新一代量子點LED的研發以及量子點顯示噴墨印刷技術開發。他認為，這項研究結果為鈣鈦礦材料在發光顯示領域的應用鋪平了道路，極大地加快了鈣鈦礦發光顯示器件走入千家萬戶的行程。