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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