不對稱性有助于創造更穩定的藍色鈣鈦礦LED結構

沖繩科學技術大學研究生院（OIST）的研究人員開發了基于金屬鹵化物鈣鈦礦材料（metal halide perovskite）的藍色LED，該材料首次使用不對稱橋（asymmetrical bridges）將鈣鈦礦層固定在一起，創造了一種更穩定的結構。

研究人員表示，它可能使鈣鈦礦LED離商業化更近一步。

研究人員表示，鈣鈦礦有可能成為照明行業真正的游戲規則改變者。在短短幾年內，鈣鈦礦LED的效率——它們將電能轉化為光能的能力，已經飆升至與傳統LED相媲美的水平，并且將很快超過傳統材料。除了效率高之外，鈣鈦礦LED還比市場上當前的LED技術具有更多優勢，因為它們有可能以低生產成本產生更亮、更純的顏色。

然而，鈣鈦礦LED的穩定性仍然是一個巨大的障礙，即使是最穩定的LED，其使用壽命也只有幾百小時。尤其是藍色LED，效率遠遠落后于紅色和綠色LED。但是，如果沒有藍色LED，鈣鈦礦在彩色顯示器或光源中的實際應用會受到限制，因為需要混合紅、綠和藍光才能產生包括白色在內的全系列顏色。

研究人員解釋，從歷史上看，藍光的發射一直很難實現。最初使用氮化鎵制造的獲得諾貝爾獎的藍色LED，比紅色和綠色LED的開發時間長長了30年——即使是現在，制造大型、高質量的氮化鎵晶體仍然比較困難，且成本高昂。因此，研究新的藍色發光材料，例如鈣鈦礦，至關重要。

在這項研究中，科學家們研究了藍色鈣鈦礦LED中的主要問題之一——鹵化物偏析問題。當金屬鹵化物鈣鈦礦晶體形成時，鹵化物以八面體形狀鍵合在金屬原子周圍。正離子位于這些八面體形狀中的四個之間。

然而，當在鈣鈦礦LED上施加LED發光所需的電壓時，它會導致形成八面體結構的負鹵離子分離，并向LED的正端遷移。八面體形狀之間的正離子也遷移到LED的負端。這種離子遷移會降低鈣鈦礦結構，導致LED的效率直線下降，藍色變為更綠色的色調。

為了嘗試解決鹵化物偏析問題，研究人員制造了一種具有稱為Dion-Jacobson相結構的鈣鈦礦結構藍色LED，其中鈣鈦礦晶體的二維(2D)層相互堆疊。然后鈣鈦礦層通過分子橋連接在一起，增加了整個結構的穩定性。

研究人員首次探索了使用兩端不同的不對稱橋是否會影響鈣鈦礦LED的整體特性。研究人員發現，當橋接分子不對稱時，它會減慢離子在鈣鈦礦層間的遷移，從而提高鈣鈦礦結構的穩定性。

該團隊提出，不對稱會導致電子在橋接分子上的分布方式發生變化，從而在層間產生一個小的偶極電場。這種偶極子電場會干擾離子遷移，從而保持結構穩定性。

研究者表示，這項研究除了解決鈣鈦礦LED中的鹵化物偏析問題外，使用不對稱橋的策略也可以應用于其他基于鈣鈦礦的器件，例如鈣鈦礦太陽能電池。

題為Spectral Stable Blue-Light-Emitting Diodes via Asymmetric Organic Diamine Based Dion–Jacobson Perovskites的相關研究論文發表在《美國化學會雜志》（Journal of the American Chemical Society）上。

前瞻經濟學人APP資訊組

論文原文：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.1c07757

標簽： 不對稱性 鈣鈦礦LED