鈣鈦礦發(fā)光二極管（PeLEDs）以其高效率、低成本、可調色等優(yōu)點，近年來在顯示領域備受關注，被認為是下一代顯示技術的潛力之星。然而，鈣鈦礦材料的離子遷移問題，導致 PeLEDs 的電致發(fā)光上升時間通常在毫秒級別，這對于高刷新率顯示來說是一個巨大的挑戰(zhàn)。
浙江大學葉志鎮(zhèn)教授團隊近期取得重大突破，他們通過采用單顆粒鈍化策略，成功將 PeLEDs 的電致發(fā)光上升時間縮短至微秒級，為高刷新率顯示技術的發(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)與機遇】
主動矩陣 (AM) 顯示器是一種自發(fā)光器件，每個像素都由薄膜晶體管 (TFT) 電路獨立控制。與傳統(tǒng)的液晶顯示器相比，AM 電致發(fā)光器件結構更簡單，功耗更低，視角更廣，對比度更高。 在 AM 顯示器中，屏幕刷新率要求 LED 具有快速的響應時間；當刷新率提高到 120 Hz 或更高頻率時，從脈沖電壓開始到 LED 達到穩(wěn)定電致發(fā)光 (EL)（通常是最終值的 90%）的時間應小于 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)定性已達到 520 小時。 然而，它們在脈沖操作下的 EL 響應卻 largely overlooked。 減少界面電容和電阻可以降低 PeLED 的響應時間。 但是，PeLED 的典型瞬態(tài) EL 顯示出兩個區(qū)域：在施加脈沖電壓后，初始快速上升（在微秒范圍內），然后緩慢上升（在數(shù)十毫秒范圍內），直到達到穩(wěn)定的 EL。 數(shù)十毫秒范圍內的緩慢上升是金屬鹵化物鈣鈦礦固有的離子晶體結構導致的，在施加電場后，它們在毫秒范圍內表現(xiàn)出離子遷移響應。 這些移動的離子會改變內部電場，從而減緩隨后的 EL 上升。 結果，典型 PeLED 的瞬態(tài) EL 響應比其他 LED 技術（其 EL 響應時間在微秒內或低于微秒）慢得多。
主動矩陣（Active Matrix，AM）顯示器結合鈣鈦礦發(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
提升光電轉換效率：
鈣鈦礦材料具有高光電轉換效率和寬光譜發(fā)射特性，能夠提供更高的亮度和更豐富的顏色。結合AM技術，可以精確控制每個像素的發(fā)光，提高整體顯示效果。
i. 改進材料結構：通過優(yōu)化鈣鈦礦材料的結構，如采用多層鈣鈦礦結構或摻雜不同元素，可以提高PeLEDs的發(fā)光效率和穩(wěn)定性。同時，結合TFT的高效開關特性，可以實現(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：結合先進的封裝技術，可以保護鈣鈦礦材料免受環(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。封裝技術的改進也有助于實現(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 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，這是因為納米晶體之間的絕緣配體而不是晶界。 因此，對于表面鈍化的納米晶體薄膜，如果去除每個納米晶體中的空位，則能壘可以進一步提高。 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發(fā)生配體損失，從而產生表面鹵素空位。
復蓋納米晶體薄膜的鈍化層無法修飾薄膜內部每個納米晶體的表面空位。
葉志鎮(zhèn)教授團隊針對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構，從而抑制離子遷移。
l應用于不同顏色： 這種單顆粒鈍化策略可以應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) 和藍色 (475 nm)，這為實現(xiàn)全彩 PeLED 顯示奠定了基礎。
【突破性的成果】
葉志鎮(zhèn)教授團隊的努力最終獲得了豐碩的成果：
l 所有 PeLED 器件都展現(xiàn)出微秒級響應時間，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%、藍色器件為 18.1%。
l 研究人員利用這種微秒級響應的 PeLED，成功制備了具有高效率 (20% 以上) 和高亮度 (500-3000 cd m-2) 的綠色主動矩陣 PeLED，分辨率達到每英寸 30 像素。
l 成功研制出具有微秒級響應時間的全彩主動矩陣 PeLED 顯示器，分辨率達到每英寸 90 像素。
【未來展望】
這項研究為高刷新率的 PeLED 顯示技術的發(fā)展提供了新的可能性，并為 PeLED 向商業(yè)化應用邁出了重要的一步。應用前景可分別為
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用于高分辨率顯示器，如智能手機、平板電腦和電視等。
ii. 柔性和可穿戴設備：鈣鈦礦材料的柔性和低成本制造優(yōu)勢，使其非常適合應用于柔性顯示器和可穿戴設備。結合AM技術，可以實現(xiàn)高性能的柔性電子產品。
iii. 虛擬現(xiàn)實（VR）和增強現(xiàn)實（AR）設備：高亮度和快速響應的鈣鈦礦發(fā)光二極管顯示技術非常適合應用于VR和AR設備，提供更逼真的視覺體驗。
iv. 透明顯示器：通過結合透明電極和鈣鈦礦發(fā)光材料，可以實現(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用。
未來，研究人員將繼續(xù)探索更有效的鈍化策略，并結合其他先進技術，進一步提高 PeLED 的性能，推動該技術在高刷新率顯示、照明等領域獲得更廣泛的應用。
【圖文解讀】
Figure 2. a.石英基底上經 TBABF4 處理和未經處理的 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）和藍色（f）發(fā)射型 AM PeLED 在不同 Vdd 驅動電壓下的 EL 光譜，顯示了一個具有窄半最大全寬 (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，以及時間分辨 PL 衰減曲線。重要性： CsPbBr3 納米晶在溶液中的光學特性，為研究者提供納米晶的基本信息。
文獻參考自 Nature Electronics DIO:10.1038/s41928-024-01181-5
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