產品應用

連發Nature!浙江大學狄大衛教授團隊發光二極管系列進展(QEpro應用)

近日,浙江大學光電學院狄大衛教授課題組先後在Nature Communications及Nature Photonics發表其課題組的最新研究文章。 《Ultralow-voltage Operation of Light-emitting Diodes》一文創紀錄地發現可以以LED能帶寬度的36-60%超低壓下觀察到發光。 《Ultrastable Near-infrared Perovskite Lightemitting Diodes》實現了超高穩定性、高效率(22.8%)的近紅外鈣鈦礦發光二極管(

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研究背景

LED的發展對照明、顯示和信息產業有著深遠的影響。新興的LED技術的研究倍受關注。 LED發光的關鍵機制為電致發光(EL),即在外部電壓下注入的電子和空穴的輻射複合。
有文獻報導III-V 族半導體的 LED 的工作電壓低至標稱帶隙的 77%,這是由於新型量子阱設計增強的輻射複合。對於OLED,其最小工作電壓約0.5Eg/q,使用TTA工藝來解釋這種低工作電壓仍有爭議,即電致發光的最低驅動電壓到底是多少,以及它們是否基於同一個機理。

 

研究方法

在這項工作中測試了17種不同類型的LED,首先選擇鈣鈦礦LED,製備了以近紅外發光的碘基材料FPI、NFPI以及綠色發光的溴基材料PCPB的鈣鈦礦LED,這三種LED的最低驅動電壓分別是1.3V、1.3V及1.9V,LED中光子的最高能量分別為1.55eV、1.56eV及2.4eV。這表明三種材料的LED均可在低於帶隙所限制的最小閾值電壓下發光。接下來選擇幾種不同的OLED、QLED以及商業III–V族半導體LED,得到的結論與之前的相似。

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圖 1 不同種LED的電致發光強度-電壓的關係。

(a. 近紅外發射FAPBI3(FPI)鈣鈦礦LED;b.近紅外發射NFPI鈣鈦礦LED;c.綠光PCPB鈣鈦礦LED;d.基於Ir(ppy)3的磷光OLED;e.基於4CzlPN的TADF OLED;f.基於F8BT的聚合物OLED;g.基於紅熒烯的熒光小分子OLED;h.基於CdSe/ZnS QDs的II-VI QLED;i.基於 GaAsP 的商用 III-V 無機 LED 。)

 

 

 
 
 
 

研究還發現幾種鈣鈦礦LED驅動電壓的數值從帶隙上方調整到下方時,LED的電致發光EL譜線峰形及峰位都不變。

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圖2. 鈣鈦礦LED在高於及低於帶隙所限制閾值電壓下的EL光譜
 
 
 
 

研究方法

為解決LED最低驅動電壓到底是多少的問題,他們採用一套能探測到微弱光子信號的高靈敏度光子探測系統,確定了鈣鈦礦LED的光致發光強度與電壓之間的關係,得出EL 的最小驅動電壓為低於半導體帶隙 50% 的值,並表現出每個光子0.6-1.4eV的表觀能量增益。

 

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圖3. 不同LED在近帶隙和亞帶隙電壓下的光致發光強度-電壓曲線
 
 
 
 
 
論文中提到的測試方法中,使用了海洋光學高靈敏度QE Pro光譜儀對LED的發光性能進行表徵。

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圖4. 用於測量在亞帶隙電壓下的 EL 光譜的實驗裝置示意圖

 
 
 
 

 

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研究背景

與鈣鈦礦太陽能電池類似,鈣鈦礦LED的不穩定性是一重大難題。近年來,鈣鈦礦LED在外量子效率(EQE)方面發展十分迅速,但其在連續工作條件下T50工作壽命(亮度降低到其初始值一半所需時間)一般在10到100小時量級,而實際應用需器件在高EQE、寬輻亮度範圍下實現更長的工作壽命(高於10000小時)。
和III-V族半導體及有機半導體相比,鈣鈦礦在器件工作過程中存在額外的降解通道。電場作用下的離子遷移和鈣鈦礦晶體結構的不穩定性,是影響鈣鈦礦器件穩定性的關鍵問題。
解決這些問題,以同時實現長壽命與高效率,是領域的重大挑戰。

 

 

研究亮點

作者選取了在高性能太陽能電池與LED均有應用的FAPbI3鈣鈦礦作為基本研究對象,引入雙極性分子SFB10,實現了高效和超穩定的近紅外(~800 nm)鈣鈦礦LED。器件峰值外量子效率(EQE)為22.8%,峰值能量轉化效率(ECE)為20.7%。這些鈣鈦礦LED展現了優異的穩定性,在5 mA/cm2下連續運行超過3600h(5個月)沒有觀察到輻亮度衰減。據加速老化測試獲得,在初始輻亮度(或電流密度)分別為0.21 W/sr/m2 (0.7 mA/cm2)時,預期T50工作壽命為2.4×106h (約270年)。

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圖5. 鈣鈦礦LED器件結構和性能
上述數據表明,鈣鈦礦LED可在滿足實際應用的光功率(輻亮度)下穩定工作。作為參考,基於Ir(ppy)3的高效率綠光OLED器件,在1000 cd/m2的高亮度下時對應的輻亮度為2.1 W/sr/m2, 在100 cd/m2的較低亮度下對應的輻亮度為0.21 W/sr/m2。

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表1:經SFB10穩定的鈣鈦礦LED壽命數據
為了探索器件高穩定性的原因,作者研究了雙極性分子SFB10對鈣鈦礦薄膜穩定性的影響。結果表明,雙極性分子SFB10提高了鈣鈦礦薄膜的熱穩定性、相穩定性與熒光穩定性。經SFB10穩定劑處理的鈣鈦礦樣品在空氣中放置322 天,仍然維持了具有良好光電活性的α相FAPbI3鈣鈦礦,而對照組樣品在14天內就發生了相變與降解。

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圖6:鈣鈦礦樣品結構穩定性和熒光穩定性

 

 

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圖7:SFB10與鈣鈦礦前驅體化學相互作用表
 
 
 
 
論文提到的測試方法中,使用海洋光學QE Pro光譜儀進行EQE的J-V曲線測量,使用Maya2000Pro記錄角電致發光強度分佈。

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QE Pro Maya2000 Pro 光谱儀

 

 
 
 
 

 

参考文献

1. Lian Y ,  Lan D ,  Xing S , et al. Ultralow-voltage operation of light-emitting diodes[J].  2021.
2. Guo, B., Lai, R., Jiang, S. et al. Ultrastable near-infrared perovskite light-emitting diodes. Nat. Photon. (2022). https://doi.org/10.1038/s41566-022-01046-3
3. https://mp.weixin.qq.com/s/s_vFNym4bESl3wogh96n7Q