中國科學院研發出全球領先的鈣鈦礦發光二極管

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）。

發光效率達29.5%，運行壽命提升近30倍！

中國科學院寧波材料技術與工程研究所研發出了具有全球領先性能的鈣鈦礦發光二極管。相關論文2月5日在線發表于《自然·光子學》(Nature Photonics)。

研究人員認為，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，將極大加快鈣鈦礦發光顯示器件走入千家萬戶的進程。

高色彩純度的未來

鈣鈦礦材料被認為是目前最具前途的半導體光電材料之一，制備成本低，光電性能優異,通電時可以發光，光照時可以發電。

與目前顯示分辨率可達到4K或“視網膜”分辨率的OLED（有機發光二極管）技術相比，鈣鈦礦發光二極管的色彩純度更高，可提升至少1倍。

2月6日上午，上述論文第一作者、博士研究生丁碩告訴澎湃科技，“（這一發現的）經濟效益還是比較顯著的，發光顯示產業每年也是萬億元級別的市場。其應用方式主要是把鈣鈦礦材料做成電子元器件，比如鈣鈦礦發光二極管；然后集成成照明顯示組件，比如燈具、顯示屏，甚至是激光器等組件。”

對于高清顯示，丁碩解釋說，以前的液晶顯示的材料本身不發光，靠背光透過來呈現顏色和對比，而OLED和鈣鈦礦LED都是材料本身發光，不需要背光，所以能實現高清顯示。

丁碩表示，發光二極管的色彩純度是指其發光的波長分布，比如純紅光對應的波長是630nm（納米），但由于半導體本身電子結構的限制，會產生一定范圍的光，這個范圍越小，色彩越純。鈣鈦礦能實現620nm到640nm的光，半高寬只有20nm，看起來顏色更純。

創新方法，延長鈣鈦礦發光二極管壽命

1839年，柏林大學礦物學家古斯塔夫斯·羅斯（Gustavus Rose）在歐亞兩洲的分界線烏拉爾山脈發現天然的鈣鈦礦——由無機物鈦酸鈣組成的礦物。

丁碩表示，最新發表論文中材料的主要成分是甲脒鉛溴，雖然它完全由人工合成，且其化學成分與鈦酸鈣完全不同，但是它們的晶體結構一模一樣。人們也習慣把后者叫做鈣鈦礦。

此前，人們雖然認識到了鈣鈦礦發光二極管的發光特性，但其運行穩定性很低，且對根本原因認識不足，阻礙了其性能提升和商業化應用進程。

丁碩介紹，鈣鈦礦發光二極管運行壽命此前都在20小時以下，僅在2022年和2023年有研究分別到達了約3000和20000多小時，相關論文都發表在《自然》上。而其他發光二極管，比如家用照明的無機的二極管，壽命長達幾十年；有機發光二極管的壽命，比如常用于手機顯示屏的，可以做到10年以上。

中國科學院寧波材料所先進納米光電材料與器件團隊向超宇研究員和錢磊研究員是前述論文的通訊作者。他們帶領的研究團隊創造性地開發出了“溶劑篩”方法，解決了鈣鈦礦材料的本征穩定性問題。

研究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，找出內部較薄的納米片（只有一或二層鉛離子）是誘發鈣鈦礦不穩定的關鍵來源。這些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。

研究團隊利用較薄納米片比起其他組分更容易溶于極性溶劑的特性，通過精準調控其中極性溶劑所占的比例來調整篩分的強度大小，就可以實現剛好只溶解掉具有一或二層鉛離子的薄納米片，而不傷害鈣鈦礦材料中的其他結構的效果，拓展了人們對鈣鈦礦精細納米結構進行操控的工具箱，為開發具有獨特納米結構和性能的鈣鈦礦材料奠定了基礎。

通過“溶劑篩”方法，去除掉薄納米片后，鈣鈦礦材料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10坎德拉每平方米亮度下超過5萬小時（5.7年）的運行壽命，較處理之前提升近30倍，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發光效率也達到了29.5%，也是目前無光提取設計的鈣鈦礦發光二極管效率的紀錄，顯著提高了電轉化為光的效率，簡化了散熱設計的需求。

論文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41566-023-01372-0