جامعة شنتشن وجامعة العلوم والتكنولوجيا الصينية تحققان تقدماً جديداً في مجال مصابيح LED البيروفسكايت

مؤخرًا، حقق فريق متعدد التخصصات بقيادة الأستاذ المساعد هوانغ بو، والأستاذ هه تينغتشن، والأستاذ المساعد لي غويجون من كلية الفيزياء والهندسة الضوئية الإلكترونية بجامعة شنتشن إنجازًا كبيرًا في أبحاث مصابيح الصمام الثنائي الباعث للضوء الزرقاء البيروفسكايتية. نُشرت النتائج تحت عنوان "تعديل إجهاد الشبكة نحو مصابيح الصمام الثنائي الباعث للضوء البيروفسكايتية الزرقاء عالية الكفاءة" في مجلة Science Advances، وهي مجلة دولية رائدة تابعة لمجموعة Science. تُعد جامعة شنتشن المؤسسة الأولى، حيث يعمل هوانغ بو وهه تينغتشن ولي غويجون ككتاب اتصال، بينما يُعتبر الباحث ما بعد الدكتوراه ليو باوشينغ المؤلف الأول. تعزز هذه الأبحاث بشكل أكبر التطبيق الصناعي لمصابيح الصمام الثنائي الباعث للضوء الزرقاء البيروفسكايتية.

据悉，该研究首次提出组合钙钛矿中的双极化跃迁通道增强蓝光跃迁的新思想，并通过应变工程实现破纪录的钙钛矿蓝光发射。研究不仅为钙钛矿蓝光LED的产业化应用迈出了重要一步，更为以实际应用为目标导向的材料设计和器件研究提供了一条标准范式。

الضوء الأزرق هو مكون لا غنى عنه للألوان الأساسية الثلاثة (الأحمر/الأخضر/الأزرق) في الطبيعة. تلعب مواد الضوء الأزرق وأشباه الموصلات الثنائية الباعثة للضوء (LEDs) دورًا حاسمًا في مجالات الإضاءة الحالة الصلبة وشاشات العرض المسطحة. في السنوات الأخيرة، أظهرت مواد البيروفسكايت الهاليدية ذات الكفاءة الكمومية العالية للفلورة والتشبع العالي آفاق تطبيق واسعة في مجالات الإضاءة الحالة الصلبة وشاشات العرض بفضل مزاياها الفريدة مثل التكلفة المنخفضة والتوصيل الجيد، مما يجعلها الخيار المثالي للإضاءة الموفرة للطاقة في الجيل القادم. حاليًا، فإن الكفاءة الكمومية الخارجية (EQE) لأشباه الموصلات الثنائية الباعثة للضوء من البيروفسكايت الخضراء والحمراء والقريبة من الأشعة تحت الحمراء عالية جدًا، وقد تجاوزت بالفعل 20% وتقترب من أداء أجهزة النقاط الكمومية التجارية وأشباه الموصلات الثنائية الباعثة للضوء العضوية. ومع ذلك، كأهم حجر زاوية أخير للإضاءة البيضاء وعرض الألوان الكاملة، تتأخر أشباه الموصلات الثنائية الباعثة للضوء من البيروفسكايت الزرقاء بشكل واضح في الكفاءة.

الاتجاهات التطويرية لـ LED البيروفسكايت الأحمر/الأخضر/الأزرق منذ عام 2014

لمعالجة هذه المشكلة، اقترح فريق البحث لأول مرة المفهوم الفيزيائي لتعزيز انتقالات الضوء الأزرق عبر قنوات انتقال ثنائية الاستقطاب في البيروفسكايت المدمج. عادةً، يتطلب تحقيق انبعاث فعال للضوء الأزرق من أشباه الموصلات مواد ذات فجوة نطاق مباشرة، وعرض فجوة نطاق يقع ضمن طيف الضوء الأزرق، وتكافؤ غير ممنوع لدوال الموجة عند حواف النطاق. علاوة على ذلك، نظرًا لاختلافات التماثل، تُظهر دوال الموجة لحالات الطاقة القريبة من نطاقي التوصيل والقيمة انتقائية تجاه أنماط استقطاب الفوتونات الممتصة/المنبعثة، كما هو الحال في أشباه الموصلات غير المتساوية الخواص. لذلك، فإن الاستفادة المعقولة من الانتقائية الاستقطابية للانتقالات الإلكترون/الثقب عند حواف النطاق بناءً على خصائص تماثل المادة ذات أهمية كبيرة لتحقيق التحكم في الاستقطاب وتحسين الأداء في الأجهزة الضوئية الإلكترونية.

该研究从半导体发光的电子结构角度出发，到设计增强蓝光跃迁的物理模型，再到基于构效关系的理论+实验双重验证，最后实现器件研发和性能调控，为以实际应用为目标导向的材料设计和器件研究提供了一条标准范式。研究所提出的操控极化跃迁通道的物理模型和应变工程策略，不仅可以成功应用于钙钛矿蓝光器件的性能提升，更可以推广到光电、光伏、电子、能源催化等领域的多种材料体系，通过合理调控载流子的跃迁极化特征来实现相关器件的性能调制，或基于此构筑极化依赖的新原理器件原型。

النمط البحثي القياسي للنظرية + التجربة، صورة كرتونية لقناة الانتقال من الاستقطاب الأحادي إلى الاستقطاب المزدوج

حظي هذا العمل البحثي بتقييم عالٍ من مجلة "Science Advances" وحصل على دعم من صندوق العلوم الطبيعية لمقاطعة قوانغدونغ، وخطة البحث والتطوير الوطنية الرئيسية، وفريق الببغاء في شنتشن، وترتيب التخصصات الأساسية، وصندوق غوانغدونغ-هونغ كونغ-ماكاو المشترك.

مؤخرًا، حقق فريق البحث الذي يقوده البروفيسور شياو تشنغغو من كلية الفيزياء في جامعة العلوم والتكنولوجيا الصينية، بالتعاون مع فرق البروفيسورين وانغ جيانبو ووانغ نانا من جامعة نانجينغ للتكنولوجيا، تقدمًا مهمًا في تحضير أفلام البيروفسكايت ودراسة الأجهزة الباعثة للضوء.

تتمتع مواد البيروفسكايت بآفاق تطبيق مهمة في الخلايا الشمسية وLED وكاشفات الضوء بسبب خصائصها الكهروضوئية الممتازة. تلعب جودة الفيلم والبنية المجهرية لأفلام البيروفسكايت دورًا حاسمًا في أداء الأجهزة الكهروضوئية.

من خلال إنشاء هياكل نانوية على سطح البيروفسكايت، زاد فريق البحث هذا من تشتت الفوتونات على سطح الفيلم الرقيق، محققًا اختراقًا في الحد الأقصى لكفاءة أجهزة الصمام الثنائي الباعث للضوء من البيروفسكايت. نُشرت النتائج ذات الصلة في مجلة Advanced Materials بعنوان "التغلب على حد استخراج الضوء من مصابيح الصمام الثنائي الباعثة للضوء من البيروفسكايت باستخدام الهياكل النانوية المصنوعة اصطناعيًا".

تتميز مصابيح LED البيروفسكايت بمزايا مثل قابلية ضبط الطول الموجي للانبعاث، وضيق عرض النصف الأقصى للانبعاث، وسهولة التصنيع. ومع ذلك، فإن كفاءة جهاز مصابيح LED البيروفسكايت محدودة حالياً بشكل رئيسي بكفاءة استخراج الضوء. لذلك، يعد زيادة كفاءة استخراج الضوء للأجهزة اتجاهًا بحثيًا مهمًا جدًا.

في مصابيح LED العضوية ومصابيح LED ذات النقاط الكمية، عادة ما تكون هناك حاجة إلى طبقة إضافية لاستخراج الضوء لزيادة استخراج الفوتونات، مثل استخدام مصفوفات عدسات مجهرية وهياكل نانوية مستوحاة من عيون العث وطبقات اقتران ذات معامل انكسار منخفض. ومع ذلك، فإن هذه الطرق تجعل عملية تصنيع الجهاز أكثر تعقيدًا وتزيد من تكاليف التصنيع.

أفاد فريق البحث التابع لشياو تشنغغو بطريقة يمكنها تكوين هياكل ذات نسيج تلقائياً على سطح أغشية البيروفسكايت، مما يزيد من كفاءة استخراج الضوء في مصابيح LED المصنوعة من البيروفسكايت من خلال تعزيز تشتت الفوتونات على سطح الغشاء.

أثناء عملية تحضير الفيلم الرقيق، يسمح التحكم في وقت بقاء المذيب المضاد على سطح الفيلم بتنظيم عملية تبلور البيروفسكايت، مما يؤدي إلى الحصول على سطح ذي بنية مجسمة. بالنسبة للأفلام ذات السمك المتوسط 1.5 ميكرومتر، يمكن التحكم المستمر في خشونة السطح من 15.3 نانومتر إلى 241 نانومتر، ويزداد الضبابية بشكل متناسب من 6% إلى أكثر من 90%.

بفضل زيادة تشتت الفوتونات على سطح الغشاء الرقيق، زادت كفاءة استخراج الضوء من مصابيح LED البيروفسكايت ذات البنية الملموسة من 11.7% في مصابيح LED البيروفسكايت المستوية إلى 26.5%， كما تحسنت كفاءة الجهاز المقابلة لمصابيح LED البيروفسكايت بشكل ملحوظ من 10% إلى 20.5%.

يوفر العمل المذكور أعلاه طريقة جديدة لتصنيع الهياكل النانوية لاستخراج الضوء في الأجهزة الكهروضوئية البيروفسكايتية. تشبه أفلام البيروفسكايت ذات البنى الدقيقة-النانوية الملمس السطحي في الخلايا الشمسية من السيليكون البلوري، مما يعد بتحسين كفاءة امتصاص الضوء وأداء الخلايا الشمسية البيروفسكايتية.

الشكل: مخططات تخطيطية لاستخراج الفوتونات من أسطح مختلفة لأغشية البيروفسكايت الرقيقة (أ). كفاءة استخراج الضوء (ب) وكفاءة الجهاز (ج) لثنائيات البيروفسكايت الضوئية المحضرة بمذيبات مضادة مختلفة.

البروفيسور شياو تشنغغو من كلية الفيزياء في جامعة العلوم والتكنولوجيا الصينية، إلى جانب البروفيسور وانغ جيانبو والبروفيسورة وانغ نانا من جامعة نانجينغ للتكنولوجيا، هما المؤلفان المسؤولان عن هذه الورقة البحثية. الباحث ما بعد الدكتوراه تشن ونجين، وطلاب الماجستير تشن جيا وهوانغ زونغمينغ من كلية الفيزياء، وطالب الدكتوراه غو ليانغهوي من جامعة نانجينغ للتكنولوجيا هم المؤلفون الأولون لهذه الورقة البحثية.

حصلت هذه الدراسة على دعم من المؤسسة الوطنية الصينية للعلوم الطبيعية، وصندوق الأبحاث الأساسية للجامعات المركزية، ومعهد أبحاث الطاقة في مركز هيفي الوطني الشامل للعلوم.

المصدر: جامعة العلوم والتكنولوجيا الصينية، قوانغشينغ تيانشيا، جامعة شنتشن