鈣鈦礦發(fā)光二極管（PeLEDs）以其高效率、低成本、可調(diào)色等優(yōu)點(diǎn)，近年來在顯示領(lǐng)域備受關(guān)注，被認(rèn)為是下一代顯示技術(shù)的潛力之星。然而，鈣鈦礦材料的離子遷移問題，導(dǎo)致 PeLEDs 的電致發(fā)光上升時(shí)間通常在毫秒級(jí)別，這對(duì)于高刷新率顯示來說是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。

浙江大學(xué)葉志鎮(zhèn)教授團(tuán)隊(duì)近期取得重大突破，他們通過采用單顆粒鈍化策略，成功將 PeLEDs 的電致發(fā)光上升時(shí)間縮短至微秒級(jí)，為高刷新率顯示技術(shù)的發(fā)展提供了新的可能性。 這一研究成果發(fā)表在國(guó)際頂尖期刊《Nature Electronics》上。

【高刷新率顯示的挑戰(zhàn)與機(jī)遇】

主動(dòng)矩陣 (AM) 顯示器是一種自發(fā)光器件，每個(gè)像素都由薄膜晶體管 (TFT) 電路獨(dú)立控制。與傳統(tǒng)的液晶顯示器相比，AM 電致發(fā)光器件結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單，功耗更低，視角更廣，對(duì)比度更高。 在 AM 顯示器中，屏幕刷新率要求 LED 具有快速的響應(yīng)時(shí)間；當(dāng)刷新率提高到 120 Hz 或更高頻率時(shí)，從脈沖電壓開始到 LED 達(dá)到穩(wěn)定電致發(fā)光 (EL)（通常是最終值的 90%）的時(shí)間應(yīng)小于 1 毫秒。

金屬鹵化物鈣鈦礦 LED（PeLEDs）因其高色純度、效率、不斷提高的操作穩(wěn)定性和潛在的低成本大面積面板制造潛力，成為 AM 顯示器的理想選擇。原型紅外-紅、綠和天藍(lán)色 PeLED 的峰值外部量子效率 (EQE) 接近理論極限，綠光發(fā)射器件在 1,000 cd m-2 亮度下工作穩(wěn)定性已達(dá)到 520 小時(shí)。 然而，它們?cè)诿}沖操作下的 EL 響應(yīng)卻 largely overlooked。 減少界面電容和電阻可以降低 PeLED 的響應(yīng)時(shí)間。 但是，PeLED 的典型瞬態(tài) EL 顯示出兩個(gè)區(qū)域：在施加脈沖電壓后，初始快速上升（在微秒范圍內(nèi)），然后緩慢上升（在數(shù)十毫秒范圍內(nèi)），直到達(dá)到穩(wěn)定的 EL。 數(shù)十毫秒范圍內(nèi)的緩慢上升是金屬鹵化物鈣鈦礦固有的離子晶體結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的，在施加電場(chǎng)后，它們?cè)诤撩敕秶鷥?nèi)表現(xiàn)出離子遷移響應(yīng)。 這些移動(dòng)的離子會(huì)改變內(nèi)部電場(chǎng)，從而減緩隨后的 EL 上升。 結(jié)果，典型 PeLED 的瞬態(tài) EL 響應(yīng)比其他 LED 技術(shù)（其 EL 響應(yīng)時(shí)間在微秒內(nèi)或低于微秒）慢得多。

主動(dòng)矩陣（Active Matrix，AM）顯示器結(jié)合鈣鈦礦發(fā)光二極管（Perovskite Light-Emitting Diodes，PeLEDs）可以顯著提升顯示器的性能，以下為優(yōu)化方式

提升光電轉(zhuǎn)換效率：

鈣鈦礦材料具有高光電轉(zhuǎn)換效率和寬光譜發(fā)射特性，能夠提供更高的亮度和更豐富的顏色。結(jié)合AM技術(shù)，可以精確控制每個(gè)像素的發(fā)光，提高整體顯示效果。

i.       改進(jìn)材料結(jié)構(gòu)：通過優(yōu)化鈣鈦礦材料的結(jié)構(gòu)，如采用多層鈣鈦礦結(jié)構(gòu)或摻雜不同元素，可以提高PeLEDs的發(fā)光效率和穩(wěn)定性。同時(shí)，結(jié)合TFT的高效開關(guān)特性，可以實(shí)現(xiàn)更低的功耗和更高的亮度。

ii.       界面工程：通過界面工程改善鈣鈦礦層與電極之間的界面，使電荷注入更加高效，減少非輻射復(fù)合，提高發(fā)光效率。AM顯示器中的TFT層也可以優(yōu)化以減少漏電流和提高電荷注入效率。

iii.       封裝技術(shù)：結(jié)合先進(jìn)的封裝技術(shù)，可以保護(hù)鈣鈦礦材料免受環(huán)境因素（如濕度和氧氣）的影響，從而提高PeLEDs的壽命和穩(wěn)定性。封裝技術(shù)的改進(jìn)也有助于實(shí)現(xiàn)柔性顯示器。

【單顆粒鈍化策略：克服離子遷移難題】

在不同的鈣鈦礦發(fā)射層中（例如體相薄膜和納米晶體），表面鈍化的納米晶體是消除 PeLED 中由離子遷移引起的毫秒級(jí) EL 上升的有希望的候選者。 離子傾向于通過鹵化物空位遷移，特別是缺陷表面和晶界是離子遷移的關(guān)鍵通道。 以前的研究表明，納米晶體薄膜中的離子遷移能壘比體相薄膜中的能壘高得多，這是因?yàn)榧{米晶體之間的絕緣配體而不是晶界。 因此，對(duì)于表面鈍化的納米晶體薄膜，如果去除每個(gè)納米晶體中的空位，則能壘可以進(jìn)一步提高。 雖然該概念在理論上是已知的，但制造表面鈍化的鈣鈦礦納米晶體薄膜仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。 由于配體鍵能弱，鈣鈦礦納米晶體在薄膜沉積過程中不可避免地會(huì)發(fā)生配體損失，從而產(chǎn)生表面鹵素空位。

復(fù)蓋納米晶體薄膜的鈍化層無法修飾薄膜內(nèi)部每個(gè)納米晶體的表面空位。

葉志鎮(zhèn)教授團(tuán)隊(duì)針對(duì)鈣鈦礦材料的離子遷移問題，提出了創(chuàng)新的單顆粒鈍化策略，有效地抑制了離子遷移，提高了 PeLEDs 的響應(yīng)速度。

l BF4- 離子鈍化： 研究人員使用 BF4- 離子來鈍化鈣鈦礦發(fā)光層中的每一個(gè)納米晶體。這種鈍化策略可以有效地消除材料中的缺陷，并形成離散的納米結(jié)構(gòu)，從而抑制離子遷移。

l應(yīng)用于不同顏色： 這種單顆粒鈍化策略可以應(yīng)用于不同顏色的鈣鈦礦奈米晶薄膜，包括紅色 (635 nm)、綠色 (520 nm) 和藍(lán)色 (475 nm)，這為實(shí)現(xiàn)全彩 PeLED 顯示奠定了基礎(chǔ)。

【突破性的成果】

葉志鎮(zhèn)教授團(tuán)隊(duì)的努力最終獲得了豐碩的成果：

l   所有 PeLED 器件都展現(xiàn)出微秒級(jí)響應(yīng)時(shí)間，并具有很高的外部量子效率：紅色器件為 22.7%、綠色器件為 26.2%、藍(lán)色器件為 18.1%。

l   研究人員利用這種微秒級(jí)響應(yīng)的 PeLED，成功制備了具有高效率 (20% 以上) 和高亮度 (500-3000 cd m-2) 的綠色主動(dòng)矩陣 PeLED，分辨率達(dá)到每英寸 30 像素。

l   成功研制出具有微秒級(jí)響應(yīng)時(shí)間的全彩主動(dòng)矩陣 PeLED 顯示器，分辨率達(dá)到每英寸 90 像素。

【未來展望】

這項(xiàng)研究為高刷新率的 PeLED 顯示技術(shù)的發(fā)展提供了新的可能性，并為 PeLED 向商業(yè)化應(yīng)用邁出了重要的一步。應(yīng)用前景可分別為

i.           高分辨率顯示器：鈣鈦礦發(fā)光二極管的高效率和寬色域使其非常適合應(yīng)用于高分辨率顯示器，如智能手機(jī)、平板電腦和電視等。

ii.           柔性和可穿戴設(shè)備：鈣鈦礦材料的柔性和低成本制造優(yōu)勢(shì)，使其非常適合應(yīng)用于柔性顯示器和可穿戴設(shè)備。結(jié)合AM技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)高性能的柔性電子產(chǎn)品。

iii.           虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）設(shè)備：高亮度和快速響應(yīng)的鈣鈦礦發(fā)光二極管顯示技術(shù)非常適合應(yīng)用于VR和AR設(shè)備，提供更逼真的視覺體驗(yàn)。

iv.           透明顯示器：通過結(jié)合透明電極和鈣鈦礦發(fā)光材料，可以實(shí)現(xiàn)高透明度的顯示器，適用于汽車抬頭顯示器和智能窗戶等應(yīng)用。

未來，研究人員將繼續(xù)探索更有效的鈍化策略，并結(jié)合其他先進(jìn)技術(shù)，進(jìn)一步提高 PeLED 的性能，推動(dòng)該技術(shù)在高刷新率顯示、照明等領(lǐng)域獲得更廣泛的應(yīng)用。

【圖文解讀】

Figure 2. a.石英基底上經(jīng) TBABF4 處理和未經(jīng)處理的 CsPbBr3 薄膜的吸收和 PL 光譜。b, TBABF4 處理過和未處理過的 CsPbBr3 薄膜的時(shí)間分辨聚光衰減顯示平均壽命分別為 22 ns 和 33 ns。

Figure 4. a-c，紅色（a）、綠色（b）和藍(lán)色（c）發(fā)射型 AM PeLED 的數(shù)碼照片，顯示了卡通圖片。 d-f，紅色（d）、綠色（e）和藍(lán)色（f）發(fā)射型 AM PeLED 在不同 Vdd 驅(qū)動(dòng)電壓下的 EL 光譜，顯示了一個(gè)具有窄半最大全寬 (FWHM) 的單峰

Figure S1. 展示了 CsPbBr3 納米晶在溶液中的吸收光譜和 PL 光譜，以及時(shí)間分辨 PL 衰減曲線。重要性： CsPbBr3 納米晶在溶液中的光學(xué)特性，為研究者提供納米晶的基本信息。

文獻(xiàn)參考自 Nature Electronics  DIO:10.1038/s41928-024-01181-5
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