沖繩科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究生院（OIST）的研究人員開發(fā)了基于金屬鹵化物鈣鈦礦材料（metal halide perovskite）的藍色LED，該材料首次使用不對稱橋（asymmetrical bridges）將鈣鈦礦層固定在一起，創(chuàng)造了一種更穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。
研究人員表示，它可能使鈣鈦礦LED離商業(yè)化更近一步。
研究人員表示，鈣鈦礦有可能成為照明行業(yè)真正的游戲規(guī)則改變者。在短短幾年內(nèi)，鈣鈦礦LED的效率——它們將電能轉(zhuǎn)化為光能的能力，已經(jīng)飆升至與傳統(tǒng)LED相媲美的水平，并且將很快超過傳統(tǒng)材料。除了效率高之外，鈣鈦礦LED還比市場上當(dāng)前的LED技術(shù)具有更多優(yōu)勢，因為它們有可能以低生產(chǎn)成本產(chǎn)生更亮、更純的顏色。
然而，鈣鈦礦LED的穩(wěn)定性仍然是一個巨大的障礙，即使是最穩(wěn)定的LED，其使用壽命也只有幾百小時。尤其是藍色LED，效率遠遠落后于紅色和綠色LED。但是，如果沒有藍色LED，鈣鈦礦在彩色顯示器或光源中的實際應(yīng)用會受到限制，因為需要混合紅、綠和藍光才能產(chǎn)生包括白色在內(nèi)的全系列顏色。
研究人員解釋，從歷史上看，藍光的發(fā)射一直很難實現(xiàn)。最初使用氮化鎵制造的獲得諾貝爾獎的藍色LED，比紅色和綠色LED的開發(fā)時間長長了30年——即使是現(xiàn)在，制造大型、高質(zhì)量的氮化鎵晶體仍然比較困難，且成本高昂。因此，研究新的藍色發(fā)光材料，例如鈣鈦礦，至關(guān)重要。
在這項研究中，科學(xué)家們研究了藍色鈣鈦礦LED中的主要問題之一——鹵化物偏析問題。當(dāng)金屬鹵化物鈣鈦礦晶體形成時，鹵化物以八面體形狀鍵合在金屬原子周圍。正離子位于這些八面體形狀中的四個之間。
然而，當(dāng)在鈣鈦礦LED上施加LED發(fā)光所需的電壓時，它會導(dǎo)致形成八面體結(jié)構(gòu)的負鹵離子分離，并向LED的正端遷移。八面體形狀之間的正離子也遷移到LED的負端。這種離子遷移會降低鈣鈦礦結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致LED的效率直線下降，藍色變?yōu)楦G色的色調(diào)。
為了嘗試解決鹵化物偏析問題，研究人員制造了一種具有稱為Dion-Jacobson相結(jié)構(gòu)的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)藍色LED，其中鈣鈦礦晶體的二維(2D)層相互堆疊。然后鈣鈦礦層通過分子橋連接在一起，增加了整個結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。
研究人員首次探索了使用兩端不同的不對稱橋是否會影響鈣鈦礦LED的整體特性。研究人員發(fā)現(xiàn)，當(dāng)橋接分子不對稱時，它會減慢離子在鈣鈦礦層間的遷移，從而提高鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。
該團隊提出，不對稱會導(dǎo)致電子在橋接分子上的分布方式發(fā)生變化，從而在層間產(chǎn)生一個小的偶極電場。這種偶極子電場會干擾離子遷移，從而保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。
研究者表示，這項研究除了解決鈣鈦礦LED中的鹵化物偏析問題外，使用不對稱橋的策略也可以應(yīng)用于其他基于鈣鈦礦的器件，例如鈣鈦礦太陽能電池。
題為Spectral Stable Blue-Light-Emitting Diodes via Asymmetric Organic Diamine based Dion–Jacobson Perovskites的相關(guān)研究論文發(fā)表在《美國化學(xué)會雜志》（Journal of the American Chemical Society）上。
論文原文：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.1c07757
