日本开发出不含有害物的高效蓝色发光材料

新技术 2018年09月28日
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日本东京工业大学科学技术创成研究院的细野秀雄教授与元素战略研究中心的金正焕助教等人组成的研发小组发现,结构类似钙钛矿的物质Cs3Cu2I5能发出蓝色光,而且其量子效率达到90%以上。这种物质在大气中的性质也很稳定,能利用溶液轻松成膜。

目前,全球正在积极开展钙钛矿型发光材料的研究,但很多材料中都含有铅和镉,因此要寻找不含这类有害成分且能稳定实现高发光效率的物质。此次的发光物质就满足了这种要求。另外,通过与新发现的黄色发光物质相结合,研究小组还成功制作了发白色光的LED。

此次的研究论文于2018年9月14日发表在德国科学杂志《先进材料》(Advanced Materials)的在线速报版上。

此次,作为不含有害元素或弱化学性有机物的高效率无机发光物质,研发小组着眼于Cs3Cu2I5(以下称CCI325),这种物质拥有连接两个CuI4四面体的被Cs离子包围的单元(图1)。

日本开发出不含有害物的高效蓝色发光材料

图1:(a)Cs3Cu2I5的晶体结构(绿色:铯Cs、蓝色:铜Cu、紫色:碘I),通过密度泛函计算获得的(b)导带下端及(c)价带上端的电荷密度

Cu+的二聚体为发光中心,因此在电子上可以将其视为零维度。要想实现高效率发光,用光激发时产生的激子在室温下也必须足够稳定。该物质中的激子的结合能达到约500meV,相当于室温热能的20倍。比以往那些具备三维电子结构的无机钙钛矿发光体高出一位数。如此高的结合能可以认为是由于电子系统为零维度,激子被牢牢封闭在内的结果。

日本开发出不含有害物的高效蓝色发光材料

图2:Cs3Cu2I5单晶体的(a)发光样品照片、(b)高分辨率电子显微镜下的原子序列图像及(c)利用溶液法制作的薄膜的发光(PL)和激发(PL)E光谱

这种物质除单晶体外,还能利用溶液合成薄膜。发光的峰值波长在430nm附近,发出强烈的蓝色光(图2)。另外,发光的量子效率方面,单晶体达到90%以上,利用溶液旋涂制作的薄膜也达到60%以上,在截至目前报告的无机钙钛矿发光体中效率最高(表1)。

日本开发出不含有害物的高效蓝色发光材料

表1:与以往的卤化物基蓝色发光体的量子效率比较

研发小组将此次制作的薄膜置于空气中2个月,发光效率也没有降低。另外,与新开发的黄色发光体结合可发白色光。研发小组还试制了白色LED,确认能正常工作。

今后,通过优化电子注入层和空穴注入层,应该能获得较高的电流效率。

日本开发出不含有害物的高效蓝色发光材料

图3:(a)混合蓝色发光的Cs3Cu2I5和新开发的黄色发光体的粉末,制作白色薄膜(b)不同混合比例的色度变化(c)白色薄膜的PL光谱(d)采用Cs3Cu2I5作为发光层的蓝色发光二极管

文 客观日本编辑部

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