封面圖（來源）：南京工業(yè)大學先進材料研究院

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【論文標題】Microcavity top-emission perovskite light-emitting diodes

【發(fā)表期刊】Light: Science & Applications

【論文網(wǎng)址 】https://doi.org/10.1038/s41377-020-0328-6

【作者】Yanfeng Miao, Lu Cheng, Wei Zou, Lianghui Gu, Ju Zhang, Qiang Guo, Qiming Peng, Mengmeng Xu, Yarong He, Shuting Zhang, Yu Cao, Renzhi Li, Nana Wang, Wei Huang & Jianpu Wang

【引用論文】Miao, Y., Cheng, L., Zou, W. et al. Microcavity top-emission perovskite light-emitting diodes. Light Sci Appl 9, 89 (2020).

一、導讀

金屬鹵化物鈣鈦礦材料具有可溶液法制備、高熒光量子效率、高色純度等特點。近年來，鈣鈦礦發(fā)光二極管（PeLED）的器件效率提升迅速，成為下一代照明與顯示技術的有力競爭者。然而，由于鈣鈦礦材料較大的折射率，導致大量的光子被限制在器件內部，阻礙了PeLED效率的進一步提升。

?近日，南京工業(yè)大學黃維院士和王建浦教授團隊在國際頂尖期刊Nature子刊 Light: Science & Applications 發(fā)表論文，他們提出通過構筑光學微腔，制備頂發(fā)射PeLED，從而大幅度提升器件效率的新思路。光學微腔一方面能夠通過Purcell效應提高輻射復合速率，提升材料的熒光量子效率；另一方面，優(yōu)化的微腔結構可以使更多光子沿著微腔的光軸出射，從而提高器件的出光耦合效率。

二、研究背景

現(xiàn)代信息社會的快速發(fā)展，對發(fā)光顯示技術提出了高效率、高亮度、柔性可穿戴等要求。傳統(tǒng)的無機發(fā)光二極管通常在單晶襯底上通過外延法生長制備，難以獲得大面積柔性器件。近年來快速商業(yè)化的有機發(fā)光二極管能夠通過溶液法、蒸鍍法制備大面積柔性器件，但有機材料本身的激子特性使其難以在大電流下實現(xiàn)高亮度和高效率。

鈣鈦礦材料兼具無機半導體高導電性和有機材料可溶液法制備的優(yōu)點，在下一代顯示領域極具競爭力。然而，近年來底發(fā)光PeLED的效率逐漸達到瓶頸，效率提升速度放緩。

發(fā)光二極管的效率是由熒光量子效率、載流子注入效率、光耦合效率共同決定的。平板型底發(fā)光器件的光耦合效率通常為20%左右，其發(fā)光層發(fā)出的光子大部分被限制在了器件內部，無法從正面出射。

另一方面，將發(fā)光器件應用于顯示時，還需加上不透光的控制電路，因此顯示面板上一部分區(qū)域無法發(fā)光，也就是產(chǎn)業(yè)化過程中面臨的開口率的問題。

設計具有微腔結構的頂發(fā)光器件，能夠有效地同時解決以上兩個問題。這是由于微腔結構能夠提高器件的出光耦合效率，而頂發(fā)光能夠解決顯示面板的開口率問題。

圖1 頂發(fā)光器件和底發(fā)光器件

三、創(chuàng)新研究

構筑基于光學微腔的高效率PeLED需要解決三個難題：1）制備具有高熒光量子效率的鈣鈦礦薄膜；2）制備高質量光學微腔；3）實現(xiàn)器件內部平衡的載流子注入。

在鈣鈦礦薄膜的選擇上，作者選擇了具有多量子阱（MQW）結構的準二維鈣鈦礦。其優(yōu)點在于，通過調控大尺寸陽離子和小尺寸陽離子的組分，能夠精確地調控鈣鈦礦的結晶性、形貌以及薄膜內部量子阱的分布。基于此思路，作者獲得了致密的MQW鈣鈦礦薄膜，并將其熒光量子效率提升到了78%。

圖2 MQW-PeLED的能級結構及鈣鈦礦層形貌

構筑高質量的光學微腔需要在器件的兩端分別制備全反射和半反射的電極。為此，作者在器件底端蒸鍍了100 nm的金電極作為全反射層，并且優(yōu)化了頂端半反射金電極的厚度，將器件的光耦合效率從20%提升到了30%。

要實現(xiàn)增強型的微腔效應，還需將微腔的光學長度設計到發(fā)光半波長的奇數(shù)倍。作者發(fā)現(xiàn)，通過調控電子傳輸層ZnO和空穴傳輸層TFB的厚度，可以有效地調控微腔的光學長度。值得注意的是，優(yōu)化ZnO、TFB厚度的同時，還要考慮發(fā)光層在微腔內部所處的位置是否位于微腔效應增強的位置。

此外，高性能PeLED的實現(xiàn)還依賴于器件內部載流子的平衡注入。作者前期的研究表明，MQW鈣鈦礦層內部存在快速的（皮秒量級）能量轉移，從而使得發(fā)光區(qū)域主要位于與TFB的交界處?？紤]到ZnO和TFB都具有較高的載流子遷移率，因此ZnO的厚度通常低于TFB的厚度。

圖3 微腔器件內部不同位置的增強效果及發(fā)光區(qū)域

基于以上對鈣鈦礦發(fā)光層、器件光學結構及載流子注入/輸運方面的優(yōu)化，作者將微腔結構頂發(fā)射PeLED的外量子效率提升至20.2%。該器件表現(xiàn)出顯著的微腔效應，不同于底發(fā)光器件的朗博體發(fā)光，頂發(fā)射微腔PeLED在正面的出光顯著增強，從而大幅度提升了光耦合效率。

圖4 微腔器件外量子效率及發(fā)光輪廓

四、應用與展望

較低的光耦合效率是限制平板發(fā)光的重要原因之一，該工作將頂發(fā)射微腔結構應用于PeLED，實現(xiàn)了超過20%的外量子效率，是目前頂發(fā)射PeLED的效率最高值。該工作的發(fā)表，使鈣鈦礦這種明星材料在LED實際應用方面更進了一步。此外，高質量微腔的制備及其器件內整合，也對電泵浦鈣鈦礦激光器的實現(xiàn)具有重要的借鑒意義。