近日，中國科學院寧波材料技術(shù)與工程研究所先進納米光電材料與器件團隊率先研制出性能世界領先的高效穩(wěn)定鈣鈦礦發(fā)光二極管（LED），從根本上闡明了鈣鈦礦材料不穩(wěn)定的根源，解決了自誕生以來就一直困擾鈣鈦礦發(fā)光二極管的運行穩(wěn)定性問題，為鈣鈦礦材料在發(fā)光顯示領域的產(chǎn)業(yè)化指明了方向。相關(guān)論文于2月5日發(fā)表在國際頂級學術(shù)期刊《自然·光子學》（Nature Photonics）上。

鈣鈦礦材料是一類與天然鈦酸鈣礦石（主要成分為CaTiO3）具有相同晶體結(jié)構(gòu)的材料，是目前最具發(fā)展前景的光電材料之一，具有光電性能優(yōu)異、制備成本低等優(yōu)點。與現(xiàn)有的有機發(fā)光二極管（OLED）技術(shù)相比，鈣鈦礦發(fā)光二極管具有更窄的發(fā)光光譜和更好的色純度，可滿足下一代高清顯示技術(shù)Rec.2020 國際標準的要求，大大改善觀眾的觀看體驗。因此，鈣鈦礦被認為是下一代發(fā)光顯示技術(shù)最有力的競爭者之一。然而，長期以來，盡管在鈣鈦礦發(fā)光二極管的效率方面取得了重大進展，但工作穩(wěn)定性低的問題仍是鈣鈦礦發(fā)光二極管實際應用的主要障礙，尤其是目前人們對于引發(fā)鈣鈦礦材料不穩(wěn)定性的根本來源的理解仍十分有限，這無疑阻礙了鈣鈦礦發(fā)光二極管性能的進一步提升和商業(yè)化進程。

因此，寧波材料所先進納米光電材料與器件團隊從發(fā)光顯示出發(fā)，立足于鈣鈦礦材料不穩(wěn)定性來源這一關(guān)鍵科學問題，對具有代表性的準二維鈣鈦礦材料內(nèi)部的精細納米結(jié)構(gòu)進行了深入分析，最終確定了鈣鈦礦內(nèi)部較薄的納米片狀結(jié)構(gòu)（只有一到兩層鉛離子）正是誘導鈣鈦礦失穩(wěn)的關(guān)鍵來源。這些較薄納米片結(jié)構(gòu)的形成源于快速而不可控的結(jié)晶過程，其本身結(jié)晶質(zhì)量較差、缺陷較多、容易發(fā)生分解；而且，它們的分解會進一步誘導整個鈣鈦礦薄膜的分解，大大降低鈣鈦礦材料整體的穩(wěn)定性，因此，有必要開發(fā)精確去除這些薄納米片的有效方法。遺憾的是，由于薄納米片的尺度在納米級，且與其他結(jié)構(gòu)緊密堆積，去除這些薄納米片的難度不亞于從茫茫森林中精確去除某種特定形狀的樹葉，傳統(tǒng)的宏觀處理方法難以奏效。

鈣鈦礦發(fā)光顯示器件（來源：中國科學院寧波材料所）

為解決這一難題，團隊從利用篩網(wǎng)可以篩分不同大小沙粒的過程中得到啟發(fā)，創(chuàng)造性地開發(fā)出“溶劑篩”方法，實現(xiàn)了對不同厚度納米片的精確篩分，有效去除薄納米片相，大大提高了最終鈣鈦礦材料的穩(wěn)定性和發(fā)光性能。該團隊開發(fā)的“溶劑篩”是極性和非極性溶劑的組合。就像我們可以通過調(diào)節(jié)篩子上網(wǎng)眼的大小控制通過篩子的沙粒大小一樣，研究團隊利用較薄的納米片在極性溶劑中的溶解度比其他成分高這一特點，通過精確調(diào)節(jié)極性溶劑的比例來調(diào)整篩分過程的強度，使其只溶解具有一到兩層鉛離子的薄納米片，而不傷害到鈣鈦礦材料中的其他結(jié)構(gòu)，其效果如圖所示。這種方法不僅顯著提高了鈣鈦礦材料的發(fā)光性能和穩(wěn)定性，而且極大擴展了操控鈣鈦礦精細納米結(jié)構(gòu)的工具箱，為未來開發(fā)具有獨特納米結(jié)構(gòu)和優(yōu)異發(fā)光性能的鈣鈦礦材料鋪平了道路。

（左）“溶劑篩”方法的原理示意圖；（右）“溶劑篩”方法刷新了鈣鈦礦發(fā)光二極管的性能紀錄

通過“溶劑篩”方法去除掉薄納米片后，鈣鈦礦材料展現(xiàn)出驚人的穩(wěn)定性，不僅可以在濕潤空氣中保持發(fā)光性能超過100天，制備的鈣鈦礦發(fā)光二極管更是展現(xiàn)出在常規(guī)使用條件下（100 cd/m2亮度）超過5萬小時（5.7年）的運行壽命，較處理之前提升了近30倍。這一運行壽命也是目前所有綠光鈣鈦礦發(fā)光二極管的最高值，達到了實現(xiàn)商業(yè)化應用的要求。同時，鈣鈦礦發(fā)光二極管的外量子效率也超過了29.5%，也是目前無光提取設計的鈣鈦礦發(fā)光二極管效率的記錄，顯著提高了電轉(zhuǎn)化為光的效率，簡化了散熱設計的需求。這項研究結(jié)果無疑為鈣鈦礦材料在發(fā)光顯示領域的應用奠定了堅實的基礎，加快了鈣鈦礦發(fā)光顯示器件走入千家萬戶的進程。（來源：中國科學院寧波材料所）