【中國科學報】科研人員用“溶劑篩”解決材料穩(wěn)定性難題 打通鈣鈦礦發(fā)光“最后一公里”
■本報記者 張楠
鈣鈦礦發(fā)光二極管被認為是接替現有有機發(fā)光二極管（OLED）技術的最有力競爭者之一。然而，運行穩(wěn)定性差成為其進入工業(yè)化階段的主要障礙。
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）科研人員研發(fā)的高效、穩(wěn)定的鈣鈦礦發(fā)光二極管解決了鈣鈦礦材料的本征穩(wěn)定性問題，為鈣鈦礦發(fā)光二極管的產業(yè)化指明了方向。
2月5日，相關成果在線發(fā)表于《自然-光子學》。
穩(wěn)定性差的根本原因
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，也是目前最有前途的光電材料之一，具有光電性能優(yōu)異、制備成本低的優(yōu)點。
同時，與目前常見的OLED技術相比，鈣鈦礦發(fā)光二極管可以將色彩純度提升至少1倍。
然而，盡管在效率方面有了顯著提高，但鈣鈦礦發(fā)光二極管運行穩(wěn)定性差的問題依舊是其投入實際應用的主要障礙，尤其是學界對于影響鈣鈦礦材料穩(wěn)定性根本原因的認知還不夠深入，阻礙了鈣鈦礦發(fā)光二極管性能的進一步提升和商業(yè)化應用。
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，發(fā)現內部較薄的納米片——只有1層或2層鉛離子，是誘發(fā)鈣鈦礦不穩(wěn)定的關鍵來源。
論文第一作者、寧波材料所博士生丁碩告訴《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(fā)生分解，而它們的分解又會進一步誘發(fā)鈣鈦礦薄膜整體的分解，從而極大降低鈣鈦礦材料的穩(wěn)定性。
因此，必須開發(fā)有效的方法，精準去除這些薄納米片。
“溶劑篩”法實現精準篩分
由于薄納米片是納米量級，又與其他結構緊密地堆積在一起，因此常規(guī)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中得到啟發(fā)，創(chuàng)造性地開發(fā)出“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，極大提高了鈣鈦礦材料的穩(wěn)定性和發(fā)光性能。
論文通訊作者、寧波材料所研究員向超宇介紹，“溶劑篩”是一種極性溶劑和非極性溶劑的組合。如同調整篩網大小就可以控制篩分的沙粒尺寸一樣，研究人員利用較薄納米片易溶于極性溶劑的特性，通過調控其中極性溶劑所占比例，可以在不影響鈣鈦礦材料中其他結構的同時，實現對薄納米片的精準去除。
這一方法不僅顯著提高了鈣鈦礦材料的發(fā)光性能和穩(wěn)定性，還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(fā)具有獨特納米結構和性能的鈣鈦礦材料奠定了堅實基礎。
亮度高、壽命長
通過“溶劑篩”方法去除薄納米片后，鈣鈦礦材料展現出了驚人的穩(wěn)定性，可在濕潤的空氣中保持發(fā)光性能超過100天。同時，制備的鈣鈦礦發(fā)光二極管展現出在100坎德拉/平方米亮度下超過5萬小時的運行壽命，是目前所有綠光鈣鈦礦發(fā)光二極管的最高值，達到了商業(yè)化應用的要求。
同時，鈣鈦礦發(fā)光二極管的外量子效率達到29.5%，是目前無光提取設計的鈣鈦礦發(fā)光二極管效率的新紀錄。
論文審稿人對這項研究中鈣鈦礦發(fā)光二極管的超高效率和運行穩(wěn)定性表示贊嘆，也對研究人員揭示鈣鈦礦不穩(wěn)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給予了充分肯定。
向超宇表示，這項研究成果為鈣鈦礦材料在發(fā)光顯示領域的應用鋪平了道路，極大加快了鈣鈦礦發(fā)光顯示器件走入千家萬戶的進程。
相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s41566-023-01372-0
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（原文發(fā)布于2024年2月7日《中國科學報》第1版）
【原文鏈接】https://news.sciencenet.cn/sbhtmlnews/2024/2/378316.shtm