华侨大学海归教授再创纪录,联合制备绿光LED,外量子效率高达25.6%

DeepTech深科技 2021-11-26 18:05


近日,华侨大学迎来校史上第二篇担任通讯单位的 Nature 论文,前后两篇的共同通讯作者均为该校发光材料与信息显示研究院、材料科学与工程学院教授魏展画。


图 | 魏展画和学生,右二为魏展画(来源:华侨大学)

从发第一篇论文时只有一个学生,到如今有十几位学生;从起初主动向多伦多大学寻求合作,到这次后者主动邀请合作。这位 32 岁的福建海归教授用努力和实力,再次给家乡高校增光添彩。

魏展画今年 32 岁,生于福建省三明市清流县嵩口镇。从厦门大学化学系本科毕业,到去香港科技大学化学系读博,再到去南洋理工大学物理与应用物理系做博士后。他说,所有这一切都是为了回来建设家乡,坚定地出国、坚定地回国是从一开始就立下的心志。

如今来看,他丝毫没有辜负自己的选择。11 月 24 日,其担任通讯作者的 Nature 论文,以《分布控制实现高效低维钙钛矿发光器件》(Distribution control enables efficient reduced-dimensional perovskite LEDs)为题正式上线[1]。

图 | 相关论文(来源:Nature

多伦多大学电子与计算机工程系爱德华·萨金特(Edward H. Sargent)教授与魏展画为本文的共同通讯作者,多伦多大学博士后马冬昕为本文的第一作者,华侨大学博士毕业生林克斌为第二作者。

那么,该论文缘何登上 Nature

据介绍,研究中双方团队制备的绿光器件,外量子效率高达 25.6%,在7200 cd m-2 的亮度下,运行寿命可达 2 小时,远超此前报道的同类器件。

外量子效率高达 25.6%


研究中,通过对钙钛矿材料的表面钝化和阱宽调控,他们大幅提升了钙钛矿发光器件性能和寿命,在新型显示和照明等领域具有一定应用前景。

据介绍,由于具备较高的摩尔消光系数、较长的载流子迁移距离、较高的缺陷容忍度、以及能带隙可调等优异光电特性,金属卤化物钙钛矿一直被认为是发光二极管和太阳能电池领域的 “潜力股” 材料。

根据不同的微观晶体结构,该材料可分为零维、低维和三维等。其中,低维钙钛矿材料的应用潜力最大,它不仅具备量子限域效应、以及较大的激子结合能,而且发光效率比较高、不易产生非辐射复合。

不过,要想用低维金属卤化物钙钛矿材料,制备出高效且稳定的发光器件,仍需克服两大问题。

其一,缺陷态会让材料形成非辐射复合中心,导致离子迁移,进而影响器件的发光效率和稳定性;其二,该材料还会形成多相混合量子阱,当遇到光、电等外部刺激源,能量就会从宽带隙量子阱传递到窄带隙量子阱,导致能量耗散,影响器件的色纯度和发光效率。

图 | 三种钙钛矿发光薄膜的成膜过程示意图,其中 PEA 表示苯乙基铵盐,TPPO 表示三苯基氧化膦,TFPPO 表示三(4-氟苯基)氧化膦(来源:Nature

如何提高低维钙钛矿发光器件的性能?通过双方合作,爱德华团队和魏展画团队,共同提出了一种新策略——低维金属卤化物钙钛矿的表面钝化—阱宽调控。

在反溶剂引发的结晶过程中,[PbBr6]4-、MA和 Cs离子,会先形成钙钛矿薄片,随后 PEA+ 有机阳离子与钙钛矿薄片共同作用,生成低维钙钛矿发光薄膜。

在参照组中,他们发现, PEA+ 有机阳离子呈现出无序、快速的扩散,这会产生缺陷中心和杂乱维度的量子阱结构。

而实验组中,该团队观察到,TPPO 和 TFPPO 分子中的 P=O 键,会和钙钛矿薄片发生 P=O:Pb2+ 相互作用,从而对结晶过程进行有效调控,同时减少缺陷的产生。

另外,TFPPO 中含有氟原子能和 PEA+ 有机阳离子相互作用,起到延缓结晶生长的效果,实现维度均一的高质量钙钛矿发光薄膜。

该薄膜具有均匀、致密的表面形貌,发光波长为 517 nm,发光半峰宽仅有 20 nm,光致发光效率则接近 100%。

(来源:Nature

国内外联手,合作共赢


谈及双方分工,魏展画介绍说,“本文的第一作者,爱德华团队的马冬昕博士,在多伦多大学完成材料设计合成、性质表征和初步的器件制备之后,受到疫情影响,回到中国,与华侨大学进行合作,进一步优化器件性能,最终实现了 25.6% 的外量子效率。


在疫情期间,华侨大学采取封闭管理措施,这给材料购买、设备添置带来很多麻烦。多伦多大学和华侨大学的实验条件、设备状态有所不同,存在很多未知因素,因此,实验的开展并不顺利,在很长一段时间都停滞不前。但是,马冬昕和林克斌始终保持乐观的态度,前一天实验失败了,会有沮丧,但第二天又会满血复活,撸起袖子接着干。


如今,林克斌已在今年 6 月从华侨大学获得博士学位,即将去新加坡国立大学做博士后研究。


魏展画回国并加入华侨大学之后,在课题组建立伊始并未把方向铺得太开,始终集中在钙钛矿发光材料和器件。他认为,做科研要有愚公移山的精神,不能只追求短平快,一个体系不行立马换成另一个,而是要认准方向就坚持下去,如果失败了可能是没找到窍门,那么继续坚持就是了。


华大和多大双方合作可追溯到 2018 年,当时魏展画团队和爱德华团队合作发表了一篇 Nature 论文,论文一作是林克斌,那篇论文也是华侨大学首次担任通讯单位的 Nature 论文[2],如今已被引用了 1648 次。


图 | 2018年 的 Nature 论文(来源:Nature

中国在钙钛矿领域已具备先发优势

钙钛矿材料大约在 2014 年才被作为发光材料来研究,那时效率很低只有不到 1%。2018 年,该团队将外量子效率提升到 20%,钙钛矿发光器件也开始更受瞩目。

魏展画说,该领域十分有前景的最关键原因是,中国在这方面已有一定领先优势,且已申请到自主知识产权,借此已建立起来技术壁垒。以 OLED 为例,虽然已大规模进入民用市场,中国也有非常多的公司能生产 OLED 显示屏了,但中国不是最早的研究国,缺少核心材料和设备,很多事情上是被 “卡脖子” 的。

钙钛矿发光材料,虽然距离应用仍有不小的距离,但只要解决几个关键性问题,就有机会实现应用。比如,可把它和聚合物混合做成液晶显示屏里面的色转化层,目前该领域已有一些初创公司。在钙钛矿的电致发光路径上,如果工况寿命得到大幅提升,也是有希望用在手机显示屏上的。

图 | 讲话者为魏展画(来源:华侨大学)

魏展画表示,下一步他将用更严苛的测试条件去评估和提高工况稳定性。与此同时他也坦言:“实事求是地说,钙钛矿和石墨烯、低温超导材料一样,是当下的热门研究话题,有重大的研究价值,也接连发表了许多高水平论文。但是,大家好像很难一下子就看到这些论文里的东西走进或者影响生活。”

还是以 OLED 为例,最早于 20 世纪 80 年代开始发现,真正大规模应用,被广泛接受是在 2010 年前后。这说明,一个技术从萌芽到真正走向成熟和应用,可能要 20 至 30 年的时间。而钙钛矿只走过 6、7 年时间,能取得这样的成就,说明还是会潜力巨大的。尽管尚未走向应用,但魏展画认为各界同仁要给钙钛矿一些信心。他认为,再接着干 5 年到 10 年,努力提高工况寿命,这个材料和器件是有望真正走进应用的。
 
魏展画表示,虽然华侨大学和其他顶尖学校仍有一定差距,但四年内连续两篇 Nature 的发表,说明这里有足够的软硬件条件去支撑重大成果的完成。因此华侨大学的师生都应该自信起来,不要妄自菲薄,而是志存高远、勇于挑战。

-End-

参考:
1、Ma, D., Lin, K., Dong, Y. et al. Distribution controlenables efficient reduced-dimensional perovskite LEDs. Nature 599, 594–598(2021). https://doi.org/10.1038/s41586-021-03997-z
2、Lin, K., Xing, J., Quan, L.N. et al.Perovskite light-emitting diodes with external quantum efficiency exceeding 20per cent. Nature 562, 245–248 (2018).https://doi.org/10.1038/s41586-018-0575-3

推荐阅读