9
新突破！鄭州大學實現環境友好型黃光LED |前沿用戶報道
供稿：馬壯壯
編輯：chen
新型金屬鹵化物鈣鈦礦材料具有熒光量子產率高、發射光譜可調、色域覆蓋范圍廣，以及發光純度高等優異的光學性能，在照明和高性能顯示等領域具有廣闊的應用前景，并有望應用于大尺寸超清顯示和照明等領域。
以往報道的鈣鈦礦LED，盡管具有較大優勢，也存在兩大問題。一方面，發光層多采用含有重金屬鉛鹵化物鈣鈦礦，而鉛離子的毒性不可避免地會對人體和環境帶來較大危害，并限制其未來大規模產業化的應用。另一方面，這些材料開發出的鈣鈦礦LED器件工作穩定性較差，尤其是黃光波段的鈣鈦礦LED長時間工作方面面臨巨大的挑戰。
為克服這兩大困難，近期，鄭州大學史志鋒團隊采取利用一種新材料作為發光層，實現了電驅動的黃光LED，且同時克服了鉛毒性和運行不穩定這兩大缺點，本次“前沿用戶報道”欄目就將帶你走進史教授團隊的研究工作。
銅基鹵化物，
發光層材料的潛力股
要想獲得高性能的發光二管，重要的是選擇和制備發光層，這關系到發光二管的發光效率、工作穩定性等各方面的性能。
開篇我們已經提到，在以往的鈣鈦礦黃光LED報道中，通常使用鉛鹵混合鈣鈦礦作為發光層，毒性問題和穩定性都不盡如人意。那么，有沒有一種材料能夠同時解決這兩個問題呢？
圖片來源：pixabay
銅基鹵化物就是這種性能優異的化合物，它兼具無毒、穩定兩種優勢特性，采用這種材料作為發光層，理論上就可以實現環保綠色且工作穩定發光器件的制備，具有非常重要的科學意義和應用前景。
為此，課題組從材料合成到器件制備展開了詳細的探索研究。
高穩定、高效率，
這個薄膜材料有點牛
要制備高性能LED，步工作便是制備出基于銅基鹵化物薄膜的發光層。史教授團隊采用低溫反溶劑法制備出無毒的黃光銅基鹵化物薄膜（CsCu2I3），在制備過程中發現，該無鉛鈣鈦礦薄膜具有良好的結晶質量，這無疑增加了他們對該材料能夠用于制備高性能LED器件的信心。
接下來，他們對這一發光層展開系列表征。
（左）LED器件的示意圖
（右）LED的發光實物圖和CsCu2I3薄膜的發光照片
1、發光性能表征
研究人員先對薄膜進行了光學特性分析，主要使用HORIBA Fluorolog-3熒光光譜儀對穩態熒光光譜、熒光量子產率和瞬態熒光光譜進行了檢測。結論發現該薄膜具有明亮的熒光發射特性，且發光峰位也在黃光發射區，可以用來制備黃光LED。
此外，后續較高的熒光量子產率和較長的熒光壽命等光學特性的分析，也充分證明了該薄膜具有高效的發光效率，性質非常優異。
無鉛CsCu2I3薄膜的光學特性表征
2、穩定性表征
該課題組繼續使用HORIBA Fluorolog-3熒光光譜儀，對材料的熱穩定性、空氣儲存穩定性進行測試。結果發現，無論是持續加熱，還是在空氣中長時間放置，該器件的熒光強度均變化不大。
這些光譜分析都表明該材料具有優異的穩定性，可以作為發光層構建高穩定的LED。
無鉛CsCu2I3薄膜的熱穩定性（a, b）
和空氣穩定性（c, d）測試
圖a顯示了薄膜在不同加熱溫度下的熒光強度變化，可以看到恢復到室溫后，熒光強度仍然可以維持原來的93%左右；
圖b為薄膜在60o C持續加熱的熒光光譜，在持續加熱300分鐘后，光譜的形狀和峰位置幾乎沒有發生變化；
圖c和d為薄膜的空氣穩定性測試，可以看出薄膜在空氣中儲存100天后，熒光強度幾乎沒有發生變化。
綜合上述兩部分表征，已經證明了CsCu2I3薄膜具有高效的發光效率和優異的穩定性，這也為他們后續制備高性能的LED打下基礎。
新型黃光LED性能太優異
史教授團隊將CsCu2I3薄膜作為發光層，進一步制備出基于無鉛銅基鹵化物薄膜的電致發光LED。
圖片來源：pixabay
這一黃光LED發光器件的性能究竟能否投入應用呢？史教授團隊繼續對制備的LED器件展開了穩定性測試，以證明該器件可以在大氣環境下工作。
從下圖b我們可以看到，將具有高發光效率和高穩定性的CsCu2I3薄膜作為發光層，制備出的電驅動LED器件，其發光峰位于550 nm，與材料的熒光光譜相對應（圖b）。這意味著高效的黃光LED已經成功實現。
基于CsCu2I3薄膜的LED制備：
（a）器件示意圖（b）器件的發光光譜；（c）實物圖
下圖d為器件在空氣環境下的長時間工作的穩定性測試，我們可以看到，器件在大氣環境下可以持續工作，即使在高溫60oC條件下，器件的工作壽命仍然可以達到2.2小時。種種結果都表明，該器件具有優異的長時間工作穩定性。
（d）基于CsCu2I3薄膜的LED器件穩定性測試
綜合以上研究，史教授團隊制備的黃光LED發光器件，表現出了明亮的發射和出色的工作穩定性。不僅如此，該研究成果實現了兼具環保無毒和工作穩定的低成本鈣鈦礦黃光LED，為新型、廉價、高效、穩定的黃光LED設計與制備提供了新的思路，具有非常重要的科學意義。
鄭州大學史志鋒團隊一直致力于解決鈣鈦礦發光器件中存在的效率、毒性和穩定性問題。此項研究成果提供了一種全新的思路來獲得環保無毒和穩定的鈣鈦礦LED，未來隨著對材料理解的深入及工藝技術的進步，有望進一步提高鈣鈦礦發光器件的效率和穩定性，推進其產業化的進程。在不遠的將來，鈣鈦礦LED將會以其優異的性能和穩定的工作成為新一代照明與顯示領域的有力競爭者，在未來照明與顯示產業中占有重要地位。
在該工作中大量重要的光譜表征是通過Fluorolog-3熒光光譜儀實現，該熒光光譜儀具有重現性好，測量分析速度快，操作簡單等優點，能夠滿足樣品的光學表征方面的基本測試。尤其是在熒光量子產率測試及其分析方面，高靈敏（SNR16000：1）和超寬檢測范圍（200-1700nm可選）的特點，確保了實驗結果的準確性。
團隊介紹&論文原文
這一成果近期以鄭州大學為單位，發表于期刊《ACS Nano》（影響因子：13.903）。文章的作者是鄭州大學博士生馬壯壯，通訊作者為鄭州大學史志鋒副教授和單崇新教授，以及吉林大學張立軍教授。該工作得到了國家自然科學基金、中原千人計劃-中原青年拔尖人才以及河南省高校科技創新人才計劃等項目的支持。
文章標題：Stable Yellow Light-Emitting Devices Based on Ternary Copper Halides with Broadband Emissive Self-Trapped Excitons
>>>> 免責說明
HORIBA Scientific公眾號所發布內容（含圖片）來源于文章原創作者提供或互聯網轉載。文章版權、數據及所述觀點歸原作者原出處所有，HORIBA Scientific 發布及轉載目的在于傳遞更多信息及用于網絡分享，供讀者自行參考及評述。如果您認為本文存在侵權之處，請與我們取得聯系，我們會及進行處理。HORIBA Scientific 力求數據嚴謹準確，如有任何失誤失實，敬請讀者不吝賜教批評指正。我們也熱忱歡迎您投稿并發表您的觀點和見解。
>>>> HORIBA科學儀器事業部
HORIBA Scientific 致力于為科研及工業用戶提供先進的檢測和分析工具及解決方案，如：光學光譜、分子光譜、元素分析、材料表征及表面分析等先進檢測技術，旗下Jobin Yvon光譜技術品牌創立于1819年，距今已有200年歷史。
如今，HORIBA 的高品質科學儀器已經成為科研、各行業研發及質量控制的選擇，之后我們也將持續專注科研領域，致力于為用戶提供更好的服務。