厘米尺寸钙钛矿发光单晶:显示应用的新选择

厘米尺寸钙钛矿发光单晶:显示应用的新选择

   显示是信息领域的重要支柱型产业,年产值超千亿美元。与其相关的新材料,是推动产业升级换代的重要基础。半导体量子点,兼具无机半导体能带调控的优势和有机发光材料的溶液加工特性,成为显示领域的重要前沿技术。目前,三星、索尼、TCL、京东方、海信等显示巨头都将纷纷加入到量子点的研发和产业化进程中。值得关注的是,基于量子点的液晶显示背光源技术已经成功开始商业化。然而,目前应用主要集中于具有核壳结构的经典量子点材料(特别是CdSe类材料),高质量的量子点材料,一般采用高温热注入技术制备,产业化仍面临工艺复杂、成本高等挑战。因此,寻求满足液晶应用的新材料和新工艺是解决上述挑战,取得原创性突破技术的重要思路之一。       与正在产业化过程中的CdSe类量子点相比,钙钛矿量子点具有成本低廉、工艺简单等特点,在发光二极管、激光等领域具有优势,受到了学术界和产业界的重点关注,是一类具有成长潜力的新型显示材料(http://www.materialsviewschina.com/2015/08/perovskite-quantum-dots-display-material-for-stars-of-the-future/)。北京理工大学钟海政课题组是国际上最早开展钙钛矿量子点研究的实验室之一。针对液晶显示背光应用,他们发现了有机-无机钙钛矿材料的“聚集诱导荧光”特性(Adv. Opt. Mater. 2015, 3, 112);发明了制备高荧光效率钙钛矿量子点的配体辅助再沉淀技术(授权中国发明专利申请:CN104388089B;国际专利申请:PCT/CN2015/092497),阐明了其富溴表面包覆和激子结合能增加的高效发光物理机制,首次报道了基于钙钛矿量子点高显色白光LED器件(ACS Nano 2015, 9, 4533);发明了钙钛矿量子点光学膜“原位制备技术”(授权中国发明专利:CN104861958A,国际专利申请:PCT/CN2016/082009),荧光量子效率高达95%,实现了高效率、广色域的白光LED原型器件,色域:121% NTSC 1931,流明效率:109 lm/W (Adv. Mater. 2016, 28, 91633-9168),通过与TCL、乐凯产学研合作,开发了连续涂敷工艺,在国际上首次展出了搭载钙钛矿量子点的液晶电视样机(2018全球消费电子CES展)。       尽管现有进展已经表明,钙钛矿量子点是一类提升液晶显示色彩的理想材料,然而钙钛矿材料的稳定性仍是未来产品应用的最大挑战之一。最近,北京理工大学钟海政课题组发展了氢溴酸辅助的常温溶液降温制备技术(申请中国发明专利:CN106883845A),制备出厘米尺寸的高效率绿色发光Cs4PbBr6单晶(荧光量子效率:~97%),这类材料避免了传统量子点的清洗过程,且具有更加优异的稳定性。利用该单晶材料、红光K2SiF6:Mn4+(KSF)荧光粉与蓝光芯片集成,实现了流明效率151 lm/W色域:90.6% Rec. 2020的高显色、高效率白光LED原型器件,这是面向液晶显示背光应用的LED器件实验室最优结果,为进一步推动钙钛矿显示技术发展提供了新的材料选择。

       此外,他们还研究了Cs4PbBr6单晶的生长过程,观察到单晶生长过程中,发光从蓝光到绿光的演化过程,结合电镜表征和理论计算,阐明了Cs4PbBr6单晶的发光主要来自嵌在单晶内部的CsPbBr3量子点,而形成量子点嵌入单晶结构的主要原因是初始单晶的化学计量比偏移所引起的相转变,上述结果为解决目前本体材料Cs4PbBr6的发光机制争议,提供了非常有力实验和理论证据。        相关结果在线发表在Advanced Functional Materials(DOI:  10.1002/adfm.201706567)上发表,第一作者为材料学院的陈小梅同学,张峰同学对合成设计有贡献,葛咏同学完成了LED器件的制备和表征,黄胜同学完成了计算的工作,其他作者参与了材料表征、光谱分析和论文写作。(来源:MaterialsViews)

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