Шэньчжэньский университет и Университет науки и техники Китая достигли новых успехов в области перовскитных светодиодов

Недавно междисциплинарная команда под руководством ассистента-профессора Хуан Пу, профессора Хэ Тингчао и ассистента-профессора Ли Гуйцзюнь из Школы физики и оптоэлектронной инженерии Университета Шэньчжэня достигла значительного прорыва в исследованиях синих светодиодов на основе перовскита. Результаты были опубликованы под заголовком «Модуляция решеточного напряжения к эффективным синим светодиодам на основе перовскита» в ведущем международном журнале Science Advances, входящем в состав издательства Science. Университет Шэньчжэня указан как ведущее учреждение, Хуан Пу, Хэ Тингчао и Ли Гуйцзюнь являются корреспондентскими авторами, а исследователь-постдок Ляо Баосин — первым автором. Эти исследования способствуют дальнейшему внедрению синих светодиодов на основе перовскита в промышленное применение.

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。

Синий свет является незаменимым компонентом трех основных цветов (красный/зеленый/синий) в природе. Материалы синего света и их светодиоды (LEDs) играют ключевую роль в областях твердотельного освещения и плоских дисплеев. В последние годы галогенидные перовскитные материалы с высокой флуоресцентной квантовой эффективностью и высокой насыщенностью продемонстрировали широкие перспективы применения в областях твердотельного освещения и дисплеев благодаря своим уникальным преимуществам, таким как низкая стоимость и хорошая проводимость, что делает их идеальным выбором для энергоэффективного освещения следующего поколения. В настоящее время внешняя квантовая эффективность (EQE) зеленых, красных и ближних инфракрасных перовскитных светодиодов очень высока, уже превысила 20% и приближается к производительности устройств коммерческих квантовых точек и органических светодиодов. Однако, как последний важный фундамент для белого освещения и полноцветных дисплеев, перовскитные синие светодиоды значительно отстают по эффективности.

Тенденции развития перовскитных светодиодов красного/зелёного/синего цвета с 2014 года

Для решения этой проблемы исследовательская группа впервые предложила физическую концепцию усиления синих переходов за счёт каналов двойной поляризации в комбинированных перовскитах. Обычно для достижения эффективного синего излучения полупроводников требуются материалы с прямой запрещённой зоной, шириной запрещённой зоны в синем диапазоне спектра и непозволенной чётностью волновых функций на краях зон. Кроме того, из-за различий в симметрии волновые функции энергетических состояний вблизи зон проводимости и валентности проявляют селективность к поляризационным режимам поглощаемых/излучаемых фотонов, как это наблюдается в анизотропных полупроводниках. Следовательно, разумное использование поляризационной селективности электронных/дырочных переходов на краях зон на основе характеристик симметрии материала имеет важное значение для реализации управления поляризацией и повышения эффективности оптоэлектронных устройств.

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。

Стандартная исследовательская парадигма «теория + эксперимент», мультяшное изображение канала перехода от однополяризованного к двухполяризованному состоянию

Данная исследовательская работа получила высокую оценку со стороны журнала «Science Advances» и была поддержана провинциальным фондом естественных наук Гуандуна, национальной ключевой программой исследований и разработок, командой «Павлин» Шэньчжэня, базовой дисциплинарной структурой и совместным фондом Гуандун-Гонконг-Макао.

Недавно группа исследователей под руководством профессора Сяо Чжэнго из Школы физики Университета науки и технологий Китая в сотрудничестве с группами профессоров Ван Цзяньпу и Ван Наньна из Нанкинского технологического университета достигла значительного прогресса в制备 перовскитных плёнок и изучении светоизлучающих устройств.

Материалы перовскита имеют важные перспективы применения в солнечных элементах, СИД и фотодетекторах благодаря своим превосходным оптоэлектронным свойствам. Качество пленки и микроструктура пленок перовскита играют решающую роль в характеристиках оптоэлектронных устройств.

Создав наноструктуры на поверхности перовскита, эта исследовательская группа увеличила рассеяние фотонов на поверхности тонкой пленки, добившись прорыва в пределе эффективности устройств светодиодов на основе перовскита. Соответствующие результаты были опубликованы в журнале Advanced Materials под заголовком "Преодоление предела вывода излучения перовскитных светодиодов с помощью искусственно созданных наноструктур".

Перовскитные светодиоды обладают такими преимуществами, как настраиваемая длина волны излучения, узкая ширина пика на половине высоты и простота изготовления. Однако эффективность устройств перовскитных светодиодов в настоящее время в основном ограничена эффективностью вывода света. Поэтому увеличение эффективности вывода света устройств является очень важным направлением исследований.

В органических светодиодах и светодиодах на квантовых точках обычно требуется дополнительный слой для извлечения света, чтобы увеличить вывод фотонов, например, с использованием массивов микролинз, биомиметических наноструктур в виде глаз мотылька и слоев сопряжения с низким показателем преломления. Однако эти методы усложняют процесс изготовления устройства и увеличивают производственные затраты.

Исследовательская группа Сяо Чжэнго представила метод, который позволяет спонтанно формировать текстурированные структуры на поверхности перовскитных плёнок, тем самым повышая эффективность извлечения света в перовскитных светодиодах за счёт усиления рассеяния фотонов на поверхности плёнки.

В процессе приготовления тонкопленочного покрытия контроль времени пребывания антирастворителя на поверхности пленки позволяет регулировать процесс кристаллизации перовскита, что приводит к получению текстурированной поверхности. Для пленок со средней толщиной 1.5 мкм шероховатость поверхности может непрерывно контролироваться в диапазоне от 15.3 нм до 241 нм, а мутность соответственно увеличивается с 6% до более чем 90%.

Благодаря увеличению рассеяния фотонов на поверхности тонкой плёнки эффективность извлечения света текстурированных перовскитных светодиодов (LED) выросла с 11,7% для плоских перовскитных светодиодов до 26,5%, а соответствующая эффективность устройства перовскитных светодиодов также значительно улучшилась с 10% до 20,5%.

Вышеописанная работа предлагает новый метод создания наноструктур для извлечения света в перовскитных оптоэлектронных устройствах. Плёнки перовскита с микронано-структурами напоминают текстурированную морфологию в кристаллических кремниевых солнечных элементах, что обещает повысить эффективность поглощения света и производительность перовскитных солнечных элементов.

Рисунок: Схематические изображения извлечения фотонов с различных поверхностей перовскитных тонких пленок (a). Эффективность извлечения света (b) и эффективность устройства (c) для светодиодов на основе перовскита, приготовленных с использованием различных антирастворителей.

Профессор Сяо Чжэнго из Школы физики Университета науки и технологий Китая, а также профессора Ван Цзяньпу и Ван Наньна из Технологического университета Нанкина являются сопредседателями (соответствующими авторами) данной статьи. Постдокторант Чэнь Вэньцзин, магистранты Чэнь Цзя и Хуан Цзунмин из Школы физики, а также аспирант Гу Лянхуэй из Технологического университета Нанкина являются первыми авторами данной статьи.

Данное исследование получило поддержку со стороны Национального фонда естественных наук Китая, Фонда базовых исследований центральных университетов и Института энергетических исследований комплексного национального научного центра Хэфэй.

Источник: Китайский университет науки и технологий, Guangxing Tianxia, Шэньчжэньский университет