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頂發(fā)光微腔結(jié)構(gòu)實現(xiàn)高效率鈣鈦礦發(fā)光二極管
金屬鹵化物鈣鈦礦材料具有可溶液法制備、高熒光量子效率、高色純度等特點。近年來，鈣鈦礦發(fā)光二極管（PeLED）的器件效率提升迅速，成為下一代照明與顯示技術(shù)的有力競爭者。然而，由于鈣鈦礦材料較大的折射率，導(dǎo)致大量的光子被限制在器件內(nèi)部，阻礙了PeLED效率的進一步提升。
近日，南京工業(yè)大學(xué)黃維院士和王建浦教授團隊在頂/尖期刊Nature子刊 Light: Science & Applications 發(fā)表論文，他們提出通過構(gòu)筑光學(xué)微腔，制備頂發(fā)射PeLED，從而大幅度提升器件效率的新思路。光學(xué)微腔一方面能夠通過Purcell效應(yīng)提高輻射復(fù)合速率，提升材料的熒光量子效率；另一方面，優(yōu)化的微腔結(jié)構(gòu)可以使更多光子沿著微腔的光軸出射，從而提高器件的出光耦合效率。
現(xiàn)代信息社會的快速發(fā)展，對發(fā)光顯示技術(shù)提出了高效率、高亮度、柔性可穿戴等要求。傳統(tǒng)的無機發(fā)光二極管通常在單晶襯底上通過外延法生長制備，難以獲得大面積柔性器件。近年來快速商業(yè)化的有機發(fā)光二極管能夠通過溶液法、蒸鍍法制備大面積柔性器件，但有機材料本身的激子特性使其難以在大電流下實現(xiàn)高亮度和高效率。
鈣鈦礦材料兼具無機半導(dǎo)體高導(dǎo)電性和有機材料可溶液法制備的優(yōu)點，在下一代顯示領(lǐng)域極/具競爭力。然而，近年來底發(fā)光PeLED的效率逐漸達到瓶頸，效率提升速度放緩。
發(fā)光二極管的效率是由熒光量子效率、載流子注入效率、光耦合效率共同決定的。平板型底發(fā)光器件的光耦合效率通常為20%左右，其發(fā)光層發(fā)出的光子大部分被限制在了器件內(nèi)部，無法從正面出射。
另一方面，將發(fā)光器件應(yīng)用于顯示時，還需加上不透光的控制電路，因此顯示面板上一部分區(qū)域無法發(fā)光，也就是產(chǎn)業(yè)化過程中面臨的開口率的問題。
設(shè)計具有微腔結(jié)構(gòu)的頂發(fā)光器件，能夠有效地同時解決以上兩個問題。這是由于微腔結(jié)構(gòu)能夠提高器件的出光耦合效率，而頂發(fā)光能夠解決顯示面板的開口率問題。
圖1 頂發(fā)光器件和底發(fā)光器件
構(gòu)筑基于光學(xué)微腔的高效率PeLED需要解決三個難題：1）制備具有高熒光量子效率的鈣鈦礦薄膜；2）制備高質(zhì)量光學(xué)微腔；3）實現(xiàn)器件內(nèi)部平衡的載流子注入。
在鈣鈦礦薄膜的選擇上，作者選擇了具有多量子阱（MQW）結(jié)構(gòu)的準二維鈣鈦礦。其優(yōu)點在于，通過調(diào)控大尺寸陽離子和小尺寸陽離子的組分，能夠精確地調(diào)控鈣鈦礦的結(jié)晶性、形貌以及薄膜內(nèi)部量子阱的分布?；诖怂悸?，作者獲得了致密的MQW鈣鈦礦薄膜，并將其熒光量子效率提升到了78%。
圖2 MQW-PeLED的能級結(jié)構(gòu)及鈣鈦礦層形貌
構(gòu)筑高質(zhì)量的光學(xué)微腔需要在器件的兩端分別制備全反射和半反射的電極。為此，作者在器件底端蒸鍍了100 nm的金電極作為全反射層，并且優(yōu)化了頂端半反射金電極的厚度，將器件的光耦合效率從20%提升到了30%。
要實現(xiàn)增強型的微腔效應(yīng)，還需將微腔的光學(xué)長度設(shè)計到發(fā)光半波長的奇數(shù)倍。作者發(fā)現(xiàn)，通過調(diào)控電子傳輸層ZnO和空穴傳輸層TFB的厚度，可以有效地調(diào)控微腔的光學(xué)長度。值得注意的是，優(yōu)化ZnO、TFB厚度的同時，還要考慮發(fā)光層在微腔內(nèi)部所處的位置是否位于微腔效應(yīng)增強的位置。
此外，高性能PeLED的實現(xiàn)還依賴于器件內(nèi)部載流子的平衡注入。作者前期的研究表明，MQW鈣鈦礦層內(nèi)部存在快速的（皮秒量級）能量轉(zhuǎn)移，從而使得發(fā)光區(qū)域主要位于與TFB的交界處。考慮到ZnO和TFB都具有較高的載流子遷移率，因此ZnO的厚度通常低于TFB的厚度。
圖3 微腔器件內(nèi)部不同位置的增強效果及發(fā)光區(qū)域
基于以上對鈣鈦礦發(fā)光層、器件光學(xué)結(jié)構(gòu)及載流子注入/輸運方面的優(yōu)化，作者將微腔結(jié)構(gòu)頂發(fā)射PeLED的外量子效率提升至20.2%。該器件表現(xiàn)出顯著的微腔效應(yīng)，不同于底發(fā)光器件的朗博體發(fā)光，頂發(fā)射微腔PeLED在正面的出光顯著增強，從而大幅度提升了光耦合效率。
圖4 微腔器件外量子效率及發(fā)光輪廓
較低的光耦合效率是限制平板發(fā)光的重要原因之一，該工作將頂發(fā)射微腔結(jié)構(gòu)應(yīng)用于PeLED，實現(xiàn)了超過20%的外量子效率，是目前頂發(fā)射PeLED的效率/高值。該工作的發(fā)表，使鈣鈦礦這種明星材料在LED實際應(yīng)用方面更進了一步。此外，高質(zhì)量微腔的制備及其器件內(nèi)整合，也對電泵浦鈣鈦礦激光器的實現(xiàn)具有重要的借鑒意義。
文章信息：
該成果以“ Microcavity top-emission perovskite light-emitting diodes ”為題發(fā)表在 Light: Science & Applications 。
本文共同第/一作者為南京工業(yè)大學(xué)*材料研究院博士生繆炎峰、程露、鄒偉，通訊作者為王建浦教授、黃維院士、彭其明副研究員。
文章來源：中科院長春光機所 Light學(xué)術(shù)出版中心