【科学前沿】唐江教授团队研制出首个稀土铈基卤化物深蓝光发光二极管
发布时间:2023.01.09

来源:武汉光电国家研究中心 光电信息学院 编辑:范千 浏览次数:

新闻网讯 武汉光电国家研究中心、光电信息学院唐江教授团队开发出一系列稀土铈基金属卤化物发光材料,实现了从紫光到深蓝光连续可调的高效稳定发光,并首次实现了基于其的深蓝光电致发光二极管芯片,以及大面积、像素化的发光器件和薄膜,在高质量显示应用方面展现出巨大潜力。12月16日,相关成果以“Spectra stable deep-blue light-emitting diodes based on cryolite-like cerium(III) halides with nanosecond d-f emission”为题发表于最新一期“ScienceAdvances”期刊。


金属卤化物钙钛矿由于其低成本、高色纯度等优势,有望应用于新一代广色域显示。目前,最先进的红光和绿光铅基钙钛矿发光二极管(PeLED)芯片已经实现了超过23.0的高外量子效率(EQE)。然而,实现高效、稳定、满足Rec.2020标准的深蓝光PeLED芯片仍然是一个巨大的挑战。Pb基钙钛矿通常采用卤素取代或者尺度调节两种策略来实现蓝光PeLED,然而混合卤素钙钛矿的光谱稳定性一般比较差,同时重金属铅也会导致严重的毒性和环境污染问题。因此,开发具有高效、稳定、环保特性的新型蓝色发光材料与器件具有重要的科学与应用价值。


唐江教授团队利用镧系稀土铈元素PLQY高、色彩鲜艳、光谱稳定好、价格低廉、无毒环保、储量丰富等显著优势,开发了发光光谱从蓝光到紫光连续可调的铈基金属卤化物Cs3CeBrxI6-x(x=0~6)。团队首次系统探索了该材料特性的晶体结构、能带结构、发光机理,以及其在电致稀土发光二极管(RELED)芯片中的应用。特别的,Cs3CeI6具有明亮的深蓝光发射,色坐标为(0.15,0.04),符合目前最严苛的Rec.2020蓝光芯片标准。


团队首次制备并解析出了Cs3CeI6的晶体结构以及能带结构,密度泛函理论(DFT)计算表明,其价带主要由Ce-4f轨道贡献,导带主要由Ce-5d以及Ce-4f、I-5p贡献,其明亮的深蓝光发射源自宇称允许的Ce-5d-Ce-4f跃迁。其CIE色坐标接近Rec.2020蓝光标准,同时具有荧光寿命短(26.1ns)短、PLQY高(76.2%)的优异特性。此外,由于Ce的5d轨道容易受晶体场调控,通过引入Br元素,进一步实现了Cs3CeBrxI6-x(x=0~6)发光从深蓝光到紫光范围内的连续可调。与通常Pb基混合卤素钙钛矿不同,Cs3CeBrxI6-x的发光光谱非常稳定,长时间(60分钟)光致激发下无明显光谱漂移问题。



图1.Cs3CeBrxI6-x晶体结构及发光特性。Cs3CeI6的晶体结构(A),能带结构(B),跃迁发光机理(C),以及变温PL特性(D)。Cs3CeBrxI6-x(x=0~6)的PL特性(E)以及其光谱稳定性(F)。


为了将该发光材料最终用于制备深蓝光RELED发光芯片,团队进一步探索了其发光薄膜的制备工艺,并成功开发了双源共蒸镀CsI和CeI3制备Cs3CeI6发光膜的先进工艺,实现了均匀致密且结晶性好Cs3CeI6发光膜,为制备发光芯片奠定了基础。


在此基础上,团队通过发光芯片的器件结构设计,最终实现了最大亮度、EQE分别为470cdm-2、3.5%的Cs3CeI6的深蓝光RELED芯片,器件CIE色坐标达到(0.15,0.04),并且在不同亮度以及长时间工作条件下均表现出了优异的光谱稳定性。这是国内外首次报道Cs3CeI6发光芯片,也是目前性能最优异深蓝光金属卤化物发光芯片之一。通过卤素调控,团队还成功地制备了CIE值从(0.17,0.02)到(0.15,0.04)可调的、光谱稳定的Cs3CeBrxI6-x基RELED芯片。进一步,利用热蒸发工艺的高度均匀性、易于图案化、像素化的优势,团队最终实现了像素尺寸为100µm的发光化薄膜,以及图案化和大面积(100 mm2)RELED,验证了其潜在的像素化显示应用前景。



图2.Cs3CeIx-RELED的大面积器件(A),图案化器件(B)以及像素化Cs3CeIx发光薄膜(C)。


论文第一作者为郭庆勋博士、王亮博士、博士生杨龙波和博士生段家顺,通讯作者为唐江教授和罗家俊副教授。论文第一单位为华中科技大学。该研究工作得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、中央高校基本科研基金、湖北省自然科学基金创新研究群体基金(2020CFA034)、中国博士后科学基金项目等项目的资助。感谢肖泽文老师在理论计算方面的大力帮助,以及密瑞祥同学和肖泽文老师对图片美化的帮助。感谢华中科技大学光电子微纳制造工艺平台、华中科技大学分析和测试中心以及华中科技大学光电信息学院仪器共享平台的支持。


论文链接:

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abq2148

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