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Nature 562, 197-198 (2018) doi: 10.1038/d41586-018-06923-y

一、Nature（《自然》）報道黃維院士、王建浦教授團隊鈣鈦礦發(fā)光二極管研究新成果

近日，由南京工業(yè)大學海外人才緩沖基地（先進材料研究院）黃維院士、王建浦教授帶領(lǐng)的IAM團隊在鈣鈦礦發(fā)光二極管（LED）領(lǐng)域再次取得重大突破。他們在世界上首次通過自發(fā)形成的具有亞微米尺度的離散型鈣鈦礦，使LED的光提取效率得到大幅度提升，在低成本、高亮度、大面積LED領(lǐng)域展現(xiàn)出獨特的應(yīng)用潛力，相關(guān)成果于10月11日發(fā)表在國際頂尖學術(shù)刊物——Nature（《自然》）上。

LED能夠?qū)㈦娔苻D(zhuǎn)成光能，被稱為第四代照明光源或綠色光源，在顯示與照明領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，具有廣闊的市場前景以及巨大的市場價值。但是，目前平面結(jié)構(gòu)的LED、尤其是有機發(fā)光二極管（OLED）的發(fā)光效率還比較低，原因在于除了約20%-30%的光子能通過折射離開器件外，其他光子都被限制在器件中，因此科學家們通常采用光提取技術(shù)來提高LED的出光效率，然而該方法需要增加圖案化光柵等特殊結(jié)構(gòu)，并且成本高、制備工藝復雜，往往還會造成LED發(fā)光光譜和出光方向的改變，從而影響發(fā)光效率。

針對這一世界性的重大科學難題，黃維院士以及王建浦教授所帶領(lǐng)的團隊，通過一種低溫溶液方法，實現(xiàn)了由一層非連續(xù)、不規(guī)則分布的鈣鈦礦晶粒和嵌入在鈣鈦礦晶粒之間的低折射率有機絕緣層組成的發(fā)光層，進而大幅度地提高了LED的光提取效率。

器件制造和亞微米結(jié)構(gòu)的形成

據(jù)南京工業(yè)大學（簡稱南工）IAM團隊學術(shù)帶頭人、該研究主要負責人、南工先進材料研究院常務(wù)副院長王建浦教授介紹，使用該方法制備的LED器件外量子效率達到20.7%，在100 mA cm-2的電流密度下能量轉(zhuǎn)化效率達到12%。此外，通過與浙江大學田鶴教授、戴道鋅教授團隊之間的合作，他們發(fā)現(xiàn)該方法形成的非周期性結(jié)構(gòu)可以將LED光提取效率提高10個百分點。

鈣鈦礦LED的光電特性

黃維院士指出，IFE與IAM團隊作為國際上鈣鈦礦發(fā)光領(lǐng)域的開拓者之一，致力于解決鈣鈦礦發(fā)光器件中存在的效率和穩(wěn)定性問題，繼開展“鈣鈦礦維度調(diào)控實現(xiàn)高效發(fā)光”研究以來，此項研究成果再次實現(xiàn)了鈣鈦礦LED發(fā)光領(lǐng)域的重大突破，與目前市場上的OLED相比，所獲得的器件效率大體一致，甚至在高亮度條件下的能量轉(zhuǎn)化效率優(yōu)于OLED，從而展現(xiàn)出非常廣闊的應(yīng)用前景。

相關(guān)研究工作以“Perovskite light-emitting diodes based on spontaneously formed submicrometre-scale structures”為題于Nature雜志在線發(fā)表，網(wǎng)址：https://www.nature.com/articles/s41586-018-0576-2。

二、零的突破！華僑大學科研成果首次登上《Nature》雜志

北京時間10月11日，國際頂級學術(shù)刊物《Nature》在線發(fā)表了華僑大學材料科學與工程學院魏展畫教授為第一通訊作者、博士生林克斌為第一作者，華僑大學為第一完成單位的研究論文《Perovskite Light-Emitting Diodes with External Quantum Efficiency Exceeding 20 percent》。這標志著華僑大學在基礎(chǔ)研究方面取得了重要的進展，在《Nature》上發(fā)表研究論文實現(xiàn)了零的突破。（https://doi.org/10.1038/s41586-018-0575-3）

此次論文的刊發(fā)標志著魏展畫教授團隊在鈣鈦礦電致發(fā)光領(lǐng)域取得了重大研究進展。論文中，他們提出了一種全新的薄膜制備策略并優(yōu)化了LED器件結(jié)構(gòu)，制備出了高亮度、高量子轉(zhuǎn)換效率和較好穩(wěn)定性的鈣鈦礦LED器件。其中，該鈣鈦礦LED器件的外量子效率高達20.3%，刷新了世界紀錄。

近幾年來，鈣鈦礦材料在發(fā)光領(lǐng)域的潛在應(yīng)用開始引起人們的廣泛關(guān)注，但是，受限于鈣鈦礦薄膜較差的成膜特性以及相對較低的熒光量子效率，其在發(fā)光、顯示以及激光領(lǐng)域的應(yīng)用發(fā)展一直比較緩慢。

圖（A）單層、疊層和半核殼式結(jié)構(gòu)鈣鈦礦薄膜示意圖，（B）紫外燈下三種鈣鈦礦薄膜的熒光發(fā)光照片，（C）鈣鈦礦LED器件實物圖。

為了克服上述困難并提高器件電光轉(zhuǎn)換效率，魏教授團隊提出了一種全新的薄膜制備策略：組分空間分布管理，通過構(gòu)建CsPbBr3@CH3NH3Br半核殼結(jié)構(gòu)，大幅減少了晶體內(nèi)的非輻射復合缺陷，提高了鈣鈦礦薄膜的發(fā)光效率；另一方面，通過在發(fā)光層和電子傳輸層間插入PMMA阻擋層，有效地改善了器件內(nèi)的電子和空穴的注入速度匹配情況。通過上述優(yōu)化，得到的鈣鈦礦LED器件的外量子轉(zhuǎn)換效率高、穩(wěn)定性較好。該研究成果已申請了國家和國際PCT專利。

據(jù)魏展畫教授介紹，鈣鈦礦LED作為平面自發(fā)光器件，具有質(zhì)量輕、厚度薄、視角廣、響應(yīng)速度快、可用于柔性顯示、使用溫度范圍廣、構(gòu)造和制備工藝簡單等優(yōu)點，在屏幕顯示（手機、電視、PC、VR和車載設(shè)備等）和綠色健康燈光照明（無藍光傷害）等方面具有廣泛的應(yīng)用前景。

據(jù)了解，新加坡南洋理工大學熊啟華教授和加拿大多倫多大學Edward H. Sargent教授為該論文的共同通訊作者。該研究項目還得到了華僑大學中央高?；究蒲薪?jīng)費項目（600005-Z16J0038）、福建省一流學科建設(shè)引導專項經(jīng)費（600007-40001303）和國家自然科學基金項目（U1705256）的支持。

魏展畫教授，2011年7月畢業(yè)于廈門大學化學系，取得學士學位；2015年8月畢業(yè)于香港科技大學化學系，取得博士學位，其導師為楊世和教授；2015年9月至2016年7月間在新加坡南洋理工大學數(shù)理科學學院從事博士后研究，師從熊啟華教授；此后，加入華僑大學材料科學與工程學院。其課題組的主要研究方向包括鈣鈦礦電致發(fā)光器件和鈣鈦礦太陽能電池等，此前他已在《Energy & Environmental Science》《Angewandte Chemie》等期刊上發(fā)表研究論文10余篇。