科学研究 - 中日法合作将钙钛矿发光二极管发光效率提高4倍，加速新一代显示器开发

日本九州大学最先端有机光电子研究中心的教授安达千波矢、九州大学碳中和能源国际研究所的副教授松岛敏则、长春应用化学研究所的教授秦川江、京都大学化学研究所、中国科学院、法国索邦大学及法国国家科学研究中心-斯特拉斯堡大学（CNRS-Université de Strasbourg）合作，通过选用合适的有机材料，成功地将准二维钙钛矿LED的发光效率提高到了原来的4倍左右。

钙钛矿薄膜制作简单，而且能实现色纯度较高的发光。因此，钙钛矿LED有望用于低成本、高色纯度的新一代显示器。采用此次的方法，可以大幅提高钙钛矿LED的发光效率，将给显示器行业带来巨大的冲击。另外，利用该方法还有望提高钙钛矿的激光振荡特性，能为医疗和通信领域做贡献。

相关研究成果已于2019年11月12日发布在《自然-光子学》（Nature Photonics）期刊的网络版上。

＜研究概要＞

作为LED发光材料使用的准二维钙钛矿由金属卤素和有机胺构成。电子和空穴在准二维钙钛矿中重新结合后，会以1:3的比例形成单重激发态和三重激发态。准二维钙钛矿的有机胺采用萘胺时，准二维钙钛矿中形成的三重激发态能量会向萘胺移动并消失。这是因为萘胺的三重激发态能级低于准二维钙钛矿的三重激发态能级。因此，参与发光的只是以1/4比例形成的单重激发态。

不过，有机胺采用苯胺时，能量不会向具备高三重激发态能级的苯胺移动，因此准二维钙钛矿的三重激发态能量可以用于发光。本次研究查清了三重激发态的物理性质，明确了其重要性。

图1a是准二维钙钛矿的结构。本次研究采用的钙钛矿LED的结构为透明阳极/有机空穴传输层/准二维钙钛矿发光层/有机电子运输层/金属阴极（b）。向准二维钙钛矿照射紫外线的话，仅形成单重激发态，会发出明亮的光（c）。但LED结构的发光机制不同。钙钛矿LED随着载流子的复合，会以1:3的比例形成单重激发态和三重激发态（d）。

图1：准二维钙钛矿的结构

通常无法观测到三重激发态的发光。在钙钛矿中，单重激发态和三重激发态的能隙较小（＜20meV），因此这些态之间容易发生移动。三重激发态转变为单重激发态后，可以通过单重激发态观测到高效发光。准二维钙钛矿的有机胺如果采用萘胺，在转变为单重激发态之前，三重激发态就会消失。本次研究发现，如果采用三重激发态不会消失的苯胺，则钙钛矿LED的发光效率能提高至原来的4倍左右。