由京都大学和九州大学的研究人员组成的联合研究团队成功揭示了某类低成本材料发光效率低的原因，并据此制定了相应策略来提高其发光效率，并且证明，由该材料制成的器件能够非常高效地发射出绿光。
图 低成本钙钛矿薄膜经溶液处理后在紫外灯激发下表现出亮度很高的绿色光发射（左）。利用单重态和三重态激子的准二维钙钛矿发光二极管发射出绿光（右）。 （图片由九州大学/足立实验室提供）
准二维钙钛矿发光材料对于电子器件应用来说极具吸引力，因为它们由廉价的原材料制成，制作工艺十分简单，并且有着应用范围广泛的优良电学和光学性能。由这种钙钛矿材料制成的发光二极管（LED）在下一代照明和显示器应用中有着广阔的前景。该钙钛矿发光材料由有机分子和无机成分组成，二者共同构成了独特的晶体结构，称为钙钛矿结构。三维钙钛矿由在三个方向上相互交替的有机和无机成分结合而成，而在二维钙钛矿中，这两类成分会形成交错的薄片。准二维钙钛矿则是三维和二维钙钛矿结构两者的组合，其中三维钙钛矿区域夹在有机薄片之间。尽管钙钛矿型LED的研究已经取得了较大进展，但目前尚不清楚由不同有机成分构成的器件在绿色光发射效率上为何存在着如此巨大的差异。对此，京都大学化学研究所的金光義彦以及九州大学和长春应用化学研究所的研究人员表示，这一问题已经在他们最近发表在《自然光子学》上发表的论文中得到了解答。
“虽然很多研究人员把钙钛矿当作传统型无机半导体来处理，但我们证明，准二维的钙钛矿其实在很多方面更像是有机半导体，因为在处理该材料时激子中不同形式的能量也须考虑进来，” 该研究的第一作者Qin Chuanjiang解释道。与典型的无机半导体不同，有机物中的电荷在发射光子前会复合形成一种称为激子的能态。电荷的特征差异，也即自旋，导致了两种不同性质激子的形成，即单重态和三重态。单重态和三重态激子的调控对于高效有机LED的设计至关重要，然而对于钙钛矿型LED来说，该相关方面的讨论却相当少。通过对比具有相似晶体特征但有机成分不同的两种钙钛矿，研究人员发现三重态的能量正在流失。当钙钛矿中含有能使三重态保持在低能量状态的有机物时，发光效果将变得极弱，这是因为三重态激子（通常会向更低能量的方向移动）会转移到有机物中而流失。转换为具有更高三重态能量的有机物会使三重态保留在发光器件中，而非转移到有机物中。此外，研究人员证明，在具有适当有机成分的准二维钙钛矿中，不会发射光子的三重态可以转换为发光的单重态，这意味着所有电能产生的激子都可以被收集。
该团队通过选取适当的有机成分，将这些发现转换成了实际应用，制造了可以有效收集三重态激子的准二维钙钛矿LED，实现了超高量子转换效率（指电荷对转换为光子的效率，此处为12.4％）的绿色光输出。“这些新发现不仅可以解释先前观察到的结果，而且还将为开发高性能光电钙钛矿器件（例如LED，激光器和太阳能电池）提供独到的见解及理论指导。” 领导该研究工作的安达千波矢表示。
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