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连发Nature!浙江大学狄大卫教授团队发光二极管系列进展

连发Nature!浙江大学狄大卫教授团队发光二极管系列进展

发布时间: 2022-08-23

近日,浙江大学光电学院狄大卫教授课题组先后在Nature Communications及Nature Photonics发表其课题组的最新研究文章。《Ultralow-voltage Operation of Light-emitting Diodes》一文创纪录地发现可以以LED能带宽度的36-60%超低压下观察到发光。《Ultrastable Near-infrared Perovskite Lightemitting Diodes》实现了超高稳定性、高效率(22.8%)的近红外钙钛矿发光二极管(钙钛矿LED)

研究背景

LED的发展对照明、显示和信息产业有着深远的影响。新兴的LED技术的研究倍受关注。LED发光的关键机制为电致发光(EL),即在外部电压下注入的电子和空穴的辐射复合。
有文献报道III-V 族半导体的 LED 的工作电压低至标称带隙的 77%,这是由于新型量子阱设计增强的辐射复合。对于OLED,其最小工作电压约0.5Eg/q,使用TTA工艺来解释这种低工作电压仍有争议,即电致发光的最低驱动电压到底是多少,以及它们是否基于同一个机理。

研究方法

在这项工作中测试了17种不同类型的LED,首先选择钙钛矿LED,制备了以近红外发光的碘基材料FPI、NFPI以及绿色发光的溴基材料PCPB的钙钛矿LED,这三种LED的最低驱动电压分别是1.3V、1.3V及1.9V,LED中光子的最高能量分别为1.55eV、1.56eV及2.4eV。这表明三种材料的LED均可在低于带隙所限制的最小阈值电压下发光。接下来选择几种不同的OLED、QLED以及商业III–V族半导体LED,得到的结论与之前的相似。

图 1 不同种LED的电致发光强度-电压的关系。

(a. 近红外发射FAPBI3(FPI)钙钛矿LED;b.近红外发射NFPI钙钛矿LED;c.绿光PCPB钙钛矿LED;d.基于Ir(ppy)3的磷光OLED;e.基于4CzlPN的TADF OLED;f.基于F8BT的聚合物OLED;g.基于红荧烯的荧光小分子OLED;h.基于CdSe/ZnS QDs的II-VI QLED;i.基于 GaAsP 的商用 III-V 无机 LED 。)

研究还发现几种钙钛矿LED驱动电压的数值从带隙上方调整到下方时,LED的电致发光EL谱线峰形及峰位都不变。


图2. 钙钛矿LED在高于及低于带隙所限制阈值电压下的EL光谱

研究方法

为解决LED最低驱动电压到底是多少的问题,他们采用一套能探测到微弱光子信号的高灵敏度光子探测系统,确定了钙钛矿LED的光致发光强度与电压之间的关系,得出EL 的最小驱动电压为低于半导体带隙 50% 的值,并表现出每个光子0.6-1.4eV的表观能量增益。