铯铅溴发光二极管效率提升及其一体化显示集成研究

主要完成人：唐江、罗家俊、宋博翔、李京徽

光电信息学院唐江教授与团队成员合影

有源驱动的发光二极管是当今显示技术的重要元器件，在商业电子、医疗影像、教育科研等人机交互领域应用广泛，具有千亿级的市场规模。然而现有商用有机发光二极管(OLED)显示技术的色纯度较低，同时核心专利技术被欧美、日韩国家卡脖子；传统Ⅲ-Ⅴ族半导体制备的Micro-LED显示技术依赖于高温工艺及外延衬底，无法与硅基电路一体化集成，同时其巨量化转移等技术挑战也尚未解决。

金属卤化物发光二极管（PeLED）是近年来兴起的一类新型发光技术，因其易调谐的发光带隙（覆盖可见光）、优异的色纯度（半峰宽<20 nm）、较低的材料成本以及可常温制备等特性受到广泛关注。尤其是与传统的OLED绿光材料相比，铯铅溴(CsPbBr₃)绿光材料的光谱色坐标接近国际电信联盟Rec. 2020绿光标准（0.170，0.797），可以显著提升显示色域范围，从而提升显示面板的色彩质量。此外，PeLED的外量子效率（EQE）已经可以媲美商用的OLED显示技术，极大地激发了人们将其推向显示产业化应用的兴趣。

目前高效PeLED器件主要依赖于溶液法技术制备，难以实现大面积像素化，不易进一步与薄膜场效应晶体管（TFT）驱动电路结合以实现显示面板的产业化应用。因此，PeLED的制备技术需要新的突破，以满足其在产业化应用上的迫切需求。

图1、热蒸发CsPbBr₃的配体钝化策略(a)三源热蒸发示意图。(b-c)热蒸发CsPbBr₃和CsPbBr₃-TPPO的结晶过程对比示意图。(d-e)热蒸发CsPbBr₃和CsPbBr₃-TPPO薄膜的SEM表面形貌以及晶体尺寸分布，其中CsPbBr₃-TPPO薄膜晶粒尺寸更小且分布均匀。(f)热蒸发CsPbBr₃和CsPbBr₃-TPPO薄膜的荧光光谱图。

为此，光电信息学院唐江教授团队采用OLED显示产业中成熟的热蒸发技术制备PeLEDs器件，以期实现产业应用。针对热蒸发PeLEDs中长期存在的发光效率低的问题，创新性地通过三源热蒸发技术将TPPO配体材料引入CsPbBr₃的原位结晶过程中，TPPO配体减缓了晶体生长动力学过程，获得CsPbBr₃纳米晶增加了辐射复合速率；同时TPPO也钝化晶体表面缺陷抑制非辐射复合速率时，最终原位生成高品质的CsPbBr₃-TPPO纳米晶薄膜，荧光量子产率接近80%（图1）。

图2、 热蒸发PeLED器件发光性能(a-b) 热蒸发PeLED器件结构及其能级图谱。(c-d) 热蒸发PeLED器件电流-电压-亮度特性曲线。(e) 热蒸发PeLED器件外量子效率。(f) 热蒸发PeLED器件效率统计图。(g) 热蒸发PeLED器件的工作稳定性。(h) 热蒸发PeLED器件光谱的色坐标。（i）热蒸发PeLED顶发射器件的透射光谱及其实物图。

基于CsPbBr₃-TPPO纳米晶薄膜，团队构筑了全热蒸发器件结构的PeLEDs，与现有OLED生产线兼容，制备的器件具有优异的发光性能：最高外量子器件效率达到16.4%，较之前热蒸发PeLEDs所报道的最高效率提升近一倍，国际领先；器件的光谱色坐标接近Rec.2020的绿光标准，实现高品质电致绿光发射（图2）。

为实现PeLEDs与TFT驱动背板一体化集成，团队开发了半透明Mg:Ag顶电极及其相应的器件制备工艺。通过将顶发射PeLEDs集成到6.67英寸的TFT背板上，团队进一步在国际上首次实现了有源驱动的铯铅溴单色显示面板，图3展示了显示分辨率为1080×2400的高清图像和视频以及连续的灰度信息。以上结果充分证明了热蒸发PeLED技术是一条满足铯铅溴显示面板大面积、像素化生产的可行路径，兼容现有的OLED产线和设备，有望显著推进铯铅溴在显示领域的产业化进程，为广大消费者提供优质显示图像。

图3、 热蒸发PeLED单色显示面板应用(a) 显示面板结构的示意图。(b) 显示面板截面的示意图。(c) 显示面板像素坑的截面SEM图。(d) AMPeLED显示面板及其工作图像。(e) 显示面板静态显示图像。(f) 显示面板视频截图，展示出丰富的灰阶信息。(g) 显示面板的微观像素图像，相邻之间的像素发光均匀。

该研究工作得到了武汉华星光电技术有限公司在驱动电路方面的大力支持，得到了上海光学精密机械研究所在瞬态光谱学测试方面的支持，得到了华中科技大学分析测试中心以及武汉光电国家研究中心器件制备和表征的设施支持。该工作也得到了浙江大学金一政教授和狄大卫教授的学术指导，以及国家自然科学基金、国家重点研发计划、博士后创新人才支持计划等项目的资助，在此一并表示感谢。