長(zhǎng)春應(yīng)化所揭示準(zhǔn)二維鈣鈦礦的激子行為

　　中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春應(yīng)用化學(xué)研究所秦川江研究員和日本九州大學(xué)安達(dá)千波矢教授領(lǐng)導(dǎo)的國(guó)際研究團(tuán)隊(duì)揭示了導(dǎo)致一類(lèi)準(zhǔn)二維鈣鈦礦發(fā)光效率低的機(jī)理，進(jìn)而提出了解決方案，開(kāi)發(fā)出基于該類(lèi)材料的高效率綠光發(fā)光二極管。相關(guān)成果11月12日在線發(fā)表于Nature Photonics (2019), https://www.nature.com/articles/s41566-019-0545-9. 

　　有機(jī)無(wú)機(jī)雜化鈣鈦礦因成本低、容易加工以及光電特性?xún)?yōu)異，受到了光電子研究領(lǐng)域的廣泛關(guān)注，基于該類(lèi)材料的發(fā)光二極管也極具潛力成為下一代照明和顯示元件。其中，三維鈣鈦礦是由有機(jī)和無(wú)機(jī)組分在三維空間交替結(jié)合而成，二維鈣鈦礦是由兩種組分交替形成的片層結(jié)構(gòu)，而準(zhǔn)二維鈣鈦礦則是兩類(lèi)鈣鈦礦的混合結(jié)構(gòu)，即由大尺寸有機(jī)殼層包裹著不同尺寸的三維鈣鈦礦。由于準(zhǔn)二維鈣鈦礦存在天然形成的量子阱結(jié)構(gòu)，與傳統(tǒng)的三維鈣鈦礦相比具有更大的激子結(jié)合能，從而更有利于發(fā)光。盡管一些準(zhǔn)二維鈣鈦礦發(fā)光二極管已達(dá)到較高電光轉(zhuǎn)換效率，但當(dāng)采用不同有機(jī)組分時(shí)，一些綠光器件的效率很低的原因仍然未知。在本研究工作中，研究者通過(guò)國(guó)際合作獲得的大量相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)該問(wèn)題做出了回答。論文第一作者兼共同通訊聯(lián)系人秦川江研究員說(shuō)：“目前多數(shù)研究者認(rèn)為這類(lèi)鈣鈦礦表現(xiàn)出更多傳統(tǒng)無(wú)機(jī)半導(dǎo)體的特性，然而我們證明了準(zhǔn)二維鈣鈦礦具有很多有機(jī)半導(dǎo)體的屬性，因此需要考慮到具有不同能量的激子行為”。 

　　與典型的無(wú)機(jī)半導(dǎo)體不同，有機(jī)半導(dǎo)體在電致發(fā)光過(guò)程中首先形成激子態(tài)而后弛豫發(fā)光。由于電子的自旋特性，將會(huì)形成單線態(tài)和三線態(tài)兩種不同性質(zhì)的激子。盡管調(diào)控單線態(tài)和三線態(tài)激子是設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)高效有機(jī)發(fā)光二極管的基礎(chǔ)，但在鈣鈦礦發(fā)光二極管的研究中卻仍未被考慮。在本研究中，研究者比較了兩類(lèi)具有相似晶體性質(zhì)，但含有不同有機(jī)組分的鈣鈦礦發(fā)光材料，發(fā)現(xiàn)其中一類(lèi)鈣鈦礦材料中的三線態(tài)激子消失了。通過(guò)分析，這類(lèi)鈣鈦礦中采用了具有低三線態(tài)能級(jí)的有機(jī)組分，其發(fā)光性能能差的原因應(yīng)是三線態(tài)激子轉(zhuǎn)移至能量較低的有機(jī)部分，造成非輻射能量損失。而當(dāng)采用具有高三線態(tài)能級(jí)的有機(jī)組分時(shí)，三線態(tài)激子會(huì)保留在鈣鈦礦發(fā)光主體中，從而獲得高的發(fā)光效率。此外，研究者進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)在特定的準(zhǔn)二維鈣鈦礦中，暗態(tài)三線態(tài)激子也能夠上轉(zhuǎn)換為輻射發(fā)光的單線態(tài)激子，使得在準(zhǔn)二維鈣鈦礦器件中實(shí)現(xiàn)全部激子利用成為可能。 

　　基于上述發(fā)現(xiàn)，研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)選擇合適的有機(jī)組分，制備了能夠高效俘獲三線態(tài)激子的準(zhǔn)二維鈣鈦礦發(fā)光二極管，獲得了12.4%的電光轉(zhuǎn)換效率?！拔覀儾粌H解釋了之前觀察到的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，一些新發(fā)現(xiàn)也為開(kāi)發(fā)高效鈣鈦礦光電器件，如發(fā)光二極管、激光和太陽(yáng)能電池等提供了指引”，領(lǐng)導(dǎo)該研究的安達(dá)千波矢教授說(shuō)。 

　　以上研究工作得到中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春應(yīng)用化學(xué)研究所海外引進(jìn)人才啟動(dòng)經(jīng)費(fèi)的支持。

（高分子物理與化學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）

左圖：紫外燈照射下強(qiáng)烈發(fā)光的鈣鈦礦薄膜；右圖：外加偏壓測(cè)試中發(fā)光的鈣鈦礦器件