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中國(guó)科學(xué)院研發(fā)出全球領(lǐng)先的鈣鈦礦發(fā)光二極管
2024年03月08日 10:06:29
來源：化工儀器網(wǎng) 點(diǎn)擊量：6204
中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所研發(fā)出了具有全球領(lǐng)先性能的鈣鈦礦發(fā)光二極管，相關(guān)論文2月5日在線發(fā)表于《自然·光子學(xué)》。
【化工儀器網(wǎng) 行業(yè)百態(tài)】中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所研發(fā)出了具有全球領(lǐng)先性能的鈣鈦礦發(fā)光二極管。相關(guān)論文2月5日在線發(fā)表于《自然·光子學(xué)》。研究人員認(rèn)為，這項(xiàng)研究結(jié)果為鈣鈦礦材料在發(fā)光顯示領(lǐng)域的應(yīng)用鋪平了道路，將極大加快鈣鈦礦發(fā)光顯示器件走入千家萬戶的進(jìn)程。
鈣鈦礦材料被認(rèn)為是目前最具前途的半導(dǎo)體光電材料之一，制備成本低，光電性能優(yōu)異，通電時(shí)可以發(fā)光，光照時(shí)可以發(fā)電。與目前顯示分辨率可達(dá)到4K或“視網(wǎng)膜”分辨率的OLED(有機(jī)發(fā)光二極管)技術(shù)相比，鈣鈦礦發(fā)光二極管的色彩純度更高，可提升至少1倍。
這一發(fā)現(xiàn)具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益，發(fā)光顯示產(chǎn)業(yè)每年擁有萬億元級(jí)別的市場(chǎng)。其應(yīng)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(fā)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。以前的液晶顯示的材料本身不發(fā)光，靠背光透過來呈現(xiàn)顏色和對(duì)比，而OLED和鈣鈦礦LED都是材料本身發(fā)光，不需要背光，所以能實(shí)現(xiàn)高清顯示。
發(fā)光二極管的色彩純度是指其發(fā)光的波長(zhǎng)分布，比如純紅光對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)是630nm(納米)，但由于半導(dǎo)體本身電子結(jié)構(gòu)的限制，會(huì)產(chǎn)生一定范圍的光，這個(gè)范圍越小，色彩越純。鈣鈦礦能實(shí)現(xiàn)620nm到640nm的光，半高寬只有20nm，看起來顏色更純。
以往人們雖然認(rèn)識(shí)到了鈣鈦礦發(fā)光二極管的發(fā)光特性，但其運(yùn)行穩(wěn)定性很低，且對(duì)根本原因認(rèn)識(shí)不足，阻礙了其性能提升和商業(yè)化應(yīng)用進(jìn)程。鈣鈦礦發(fā)光二極管運(yùn)行壽命此前都在20小時(shí)以下，僅在2022年和2023年有研究分別到達(dá)了約3000和20000多小時(shí)，相關(guān)論文都發(fā)表在《自然》上。而其他發(fā)光二極管，比如家用照明的無機(jī)的二極管，壽命長(zhǎng)達(dá)幾十年；有機(jī)發(fā)光二極管的壽命，比如常用于手機(jī)顯示屏的，可以做到10年以上。
中國(guó)科學(xué)院寧波材料所先進(jìn)納米光電材料與器件團(tuán)隊(duì)向超宇研究員和錢磊研究員帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造性地開發(fā)出了“溶劑篩”方法，解決了鈣鈦礦材料的本征穩(wěn)定性問題。研究團(tuán)隊(duì)對(duì)具有代表性的準(zhǔn)二維鈣鈦礦材料內(nèi)部的精細(xì)納米結(jié)構(gòu)進(jìn)行了深入分析，找出內(nèi)部較薄的納米片(只有一或二層鉛離子)是誘發(fā)鈣鈦礦不穩(wěn)定的關(guān)鍵來源。這些較薄的納米片是由快速不可控的結(jié)晶過程形成的，本身結(jié)晶質(zhì)量差，缺陷較多，容易發(fā)生分解，并且它們的分解會(huì)進(jìn)一步誘發(fā)鈣鈦礦薄膜整體的分解，極大地降低了鈣鈦礦材料的穩(wěn)定性。
研究團(tuán)隊(duì)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(zhǔn)調(diào)控其中極性溶劑所占的比例來調(diào)整篩分的強(qiáng)度大小，就可以實(shí)現(xiàn)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(jié)構(gòu)的效果，拓展了人們對(duì)鈣鈦礦精細(xì)納米結(jié)構(gòu)進(jìn)行操控的工具箱，為開發(fā)具有獨(dú)特納米結(jié)構(gòu)和性能的鈣鈦礦材料奠定了基礎(chǔ)。
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