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Nature 562, 197-198 (2018) doi: 10.1038/d41586-018-06923-y

一、Nature（《自然》）報(bào)道黃維院士、王建浦教授團(tuán)隊(duì)鈣鈦礦發(fā)光二極管研究新成果

近日，由南京工業(yè)大學(xué)海外人才緩沖基地（先進(jìn)材料研究院）黃維院士、王建浦教授帶領(lǐng)的IAM團(tuán)隊(duì)在鈣鈦礦發(fā)光二極管（LED）領(lǐng)域再次取得重大突破。他們在世界上首次通過自發(fā)形成的具有亞微米尺度的離散型鈣鈦礦，使LED的光提取效率得到大幅度提升，在低成本、高亮度、大面積LED領(lǐng)域展現(xiàn)出獨(dú)特的應(yīng)用潛力，相關(guān)成果于10月11日發(fā)表在國際頂尖學(xué)術(shù)刊物——Nature（《自然》）上。

LED能夠?qū)㈦娔苻D(zhuǎn)成光能，被稱為第四代照明光源或綠色光源，在顯示與照明領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，具有廣闊的市場前景以及巨大的市場價(jià)值。但是，目前平面結(jié)構(gòu)的LED、尤其是有機(jī)發(fā)光二極管（OLED）的發(fā)光效率還比較低，原因在于除了約20%-30%的光子能通過折射離開器件外，其他光子都被限制在器件中，因此科學(xué)家們通常采用光提取技術(shù)來提高LED的出光效率，然而該方法需要增加圖案化光柵等特殊結(jié)構(gòu)，并且成本高、制備工藝復(fù)雜，往往還會造成LED發(fā)光光譜和出光方向的改變，從而影響發(fā)光效率。

針對這一世界性的重大科學(xué)難題，黃維院士以及王建浦教授所帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)，通過一種低溫溶液方法，實(shí)現(xiàn)了由一層非連續(xù)、不規(guī)則分布的鈣鈦礦晶粒和嵌入在鈣鈦礦晶粒之間的低折射率有機(jī)絕緣層組成的發(fā)光層，進(jìn)而大幅度地提高了LED的光提取效率。

器件制造和亞微米結(jié)構(gòu)的形成

據(jù)南京工業(yè)大學(xué)（簡稱南工）IAM團(tuán)隊(duì)學(xué)術(shù)帶頭人、該研究主要負(fù)責(zé)人、南工先進(jìn)材料研究院常務(wù)副院長王建浦教授介紹，使用該方法制備的LED器件外量子效率達(dá)到20.7%，在100 mA cm-2的電流密度下能量轉(zhuǎn)化效率達(dá)到12%。此外，通過與浙江大學(xué)田鶴教授、戴道鋅教授團(tuán)隊(duì)之間的合作，他們發(fā)現(xiàn)該方法形成的非周期性結(jié)構(gòu)可以將LED光提取效率提高10個(gè)百分點(diǎn)。

鈣鈦礦LED的光電特性

黃維院士指出，IFE與IAM團(tuán)隊(duì)作為國際上鈣鈦礦發(fā)光領(lǐng)域的開拓者之一，致力于解決鈣鈦礦發(fā)光器件中存在的效率和穩(wěn)定性問題，繼開展“鈣鈦礦維度調(diào)控實(shí)現(xiàn)高效發(fā)光”研究以來，此項(xiàng)研究成果再次實(shí)現(xiàn)了鈣鈦礦LED發(fā)光領(lǐng)域的重大突破，與目前市場上的OLED相比，所獲得的器件效率大體一致，甚至在高亮度條件下的能量轉(zhuǎn)化效率優(yōu)于OLED，從而展現(xiàn)出非常廣闊的應(yīng)用前景。

相關(guān)研究工作以“Perovskite light-emitting diodes based on spontaneously formed submicrometre-scale structures”為題于Nature雜志在線發(fā)表，網(wǎng)址：https://www.nature.com/articles/s41586-018-0576-2。

二、零的突破！華僑大學(xué)科研成果首次登上《Nature》雜志

北京時(shí)間10月11日，國際頂級學(xué)術(shù)刊物《Nature》在線發(fā)表了華僑大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院魏展畫教授為第一通訊作者、博士生林克斌為第一作者，華僑大學(xué)為第一完成單位的研究論文《Perovskite Light-Emitting Diodes with External Quantum Efficiency Exceeding 20 percent》。這標(biāo)志著華僑大學(xué)在基礎(chǔ)研究方面取得了重要的進(jìn)展，在《Nature》上發(fā)表研究論文實(shí)現(xiàn)了零的突破。（https://doi.org/10.1038/s41586-018-0575-3）

此次論文的刊發(fā)標(biāo)志著魏展畫教授團(tuán)隊(duì)在鈣鈦礦電致發(fā)光領(lǐng)域取得了重大研究進(jìn)展。論文中，他們提出了一種全新的薄膜制備策略并優(yōu)化了LED器件結(jié)構(gòu)，制備出了高亮度、高量子轉(zhuǎn)換效率和較好穩(wěn)定性的鈣鈦礦LED器件。其中，該鈣鈦礦LED器件的外量子效率高達(dá)20.3%，刷新了世界紀(jì)錄。

近幾年來，鈣鈦礦材料在發(fā)光領(lǐng)域的潛在應(yīng)用開始引起人們的廣泛關(guān)注，但是，受限于鈣鈦礦薄膜較差的成膜特性以及相對較低的熒光量子效率，其在發(fā)光、顯示以及激光領(lǐng)域的應(yīng)用發(fā)展一直比較緩慢。

圖（A）單層、疊層和半核殼式結(jié)構(gòu)鈣鈦礦薄膜示意圖，（B）紫外燈下三種鈣鈦礦薄膜的熒光發(fā)光照片，（C）鈣鈦礦LED器件實(shí)物圖。

為了克服上述困難并提高器件電光轉(zhuǎn)換效率，魏教授團(tuán)隊(duì)提出了一種全新的薄膜制備策略：組分空間分布管理，通過構(gòu)建CsPbBr3@CH3NH3Br半核殼結(jié)構(gòu)，大幅減少了晶體內(nèi)的非輻射復(fù)合缺陷，提高了鈣鈦礦薄膜的發(fā)光效率；另一方面，通過在發(fā)光層和電子傳輸層間插入PMMA阻擋層，有效地改善了器件內(nèi)的電子和空穴的注入速度匹配情況。通過上述優(yōu)化，得到的鈣鈦礦LED器件的外量子轉(zhuǎn)換效率高、穩(wěn)定性較好。該研究成果已申請了國家和國際PCT專利。

據(jù)魏展畫教授介紹，鈣鈦礦LED作為平面自發(fā)光器件，具有質(zhì)量輕、厚度薄、視角廣、響應(yīng)速度快、可用于柔性顯示、使用溫度范圍廣、構(gòu)造和制備工藝簡單等優(yōu)點(diǎn)，在屏幕顯示（手機(jī)、電視、PC、VR和車載設(shè)備等）和綠色健康燈光照明（無藍(lán)光傷害）等方面具有廣泛的應(yīng)用前景。

據(jù)了解，新加坡南洋理工大學(xué)熊啟華教授和加拿大多倫多大學(xué)Edward H. Sargent教授為該論文的共同通訊作者。該研究項(xiàng)目還得到了華僑大學(xué)中央高?；究蒲薪?jīng)費(fèi)項(xiàng)目（600005-Z16J0038）、福建省一流學(xué)科建設(shè)引導(dǎo)專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)（600007-40001303）和國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（U1705256）的支持。

魏展畫教授，2011年7月畢業(yè)于廈門大學(xué)化學(xué)系，取得學(xué)士學(xué)位；2015年8月畢業(yè)于香港科技大學(xué)化學(xué)系，取得博士學(xué)位，其導(dǎo)師為楊世和教授；2015年9月至2016年7月間在新加坡南洋理工大學(xué)數(shù)理科學(xué)學(xué)院從事博士后研究，師從熊啟華教授；此后，加入華僑大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院。其課題組的主要研究方向包括鈣鈦礦電致發(fā)光器件和鈣鈦礦太陽能電池等，此前他已在《Energy & Environmental Science》《Angewandte Chemie》等期刊上發(fā)表研究論文10余篇。