金屬鹵化物鈣鈦礦顯示出了下一代發(fā)光二極管的前景，特別是在近紅外范圍內(nèi)，它們的性能優(yōu)于有機和量子點。然而，它們?nèi)匀粺o法達到昂貴的III-V族半導體器件的要求，III-V族半導體器件可以實現(xiàn)30%以上的外部量子效率和高亮度。在眾多因素中，控制晶粒生長和納米級形貌對于進一步提高器件性能至關重要。

2024年12月30日，美國普渡大學竇樂添副教授在國際知名期刊Nature Communications發(fā)表題為《Grain engineering for efficient near-infrared perovskite light-emitting diodes》的研究論文，Sung-Doo Baek、Wenhao Shao為論文共同第一作者，竇樂添副教授為論文通訊作者。

竇樂添，美國普渡大學化學工程系副教授，科睿唯安交叉學科高被引科學家前0.1%（2019年至今），《麻省理工科技評論》中國35歲以下創(chuàng)新者（2018）。

2009年本科畢業(yè)于北京大學，導師：宛新華教授；2014年在加利福尼亞大學洛杉磯分校獲博士學位，導師是光伏領域著名的楊陽教授；2014-2017年在加州大學伯克利分校和勞倫斯伯克利國家實驗室進行博士后研究，合作導師：楊培東教授。2017年加入普渡大學，2022年獲終身教職。

竇樂添副教授的研究興趣包括雜化材料的合成、有機半導體、鹵化物鈣鈦礦以及相關的光電特性及其器件應用。他也是聚合物單晶化學和材料領域的先驅(qū)。截至2024年1月，發(fā)表了110多篇論文，引用次數(shù)超過25000次。

研究團隊提出了一種結(jié)合溶劑工程和異質(zhì)結(jié)構(gòu)構(gòu)建的顆粒工程方法，以提高光耦合效率和缺陷鈍化。

溶劑工程能夠精確控制晶粒尺寸和分布，將光輸出耦合增加至約40%。用共軛陽離子構(gòu)建2D/3D異質(zhì)結(jié)構(gòu)可降低缺陷密度并加速輻射復合。由此產(chǎn)生的近紅外鈣鈦礦發(fā)光二極管的峰值外部量子效率為31.4%，最大亮度為929?W sr^?1 m^?2。

這些發(fā)現(xiàn)表明，鈣鈦礦發(fā)光二極管有潛力成為實際應用種低成本、高性能的近紅外光源。

圖1：溶劑工程方法對PeLEDs的影響

圖2：通過溶劑工程方法增強光耦合效率

圖3：2D/3D鈣鈦礦異質(zhì)結(jié)構(gòu)方法對PeLEDs的影響

圖4：通過2D/3D鈣鈦礦異質(zhì)結(jié)構(gòu)方法實現(xiàn)有效缺陷鈍化

綜上，本論文介紹了一種通過晶粒工程方法優(yōu)化的高效近紅外鈣鈦礦發(fā)光二極管（PeLEDs），該方法結(jié)合了溶劑工程和異質(zhì)結(jié)構(gòu)構(gòu)建，以提高光耦合效率和缺陷鈍化，實現(xiàn)了高達31.4%的峰值外部量子效率和929 W sr^?1 m^?2的最大亮度。

研究團隊開發(fā)了一種成本低、性能優(yōu)異的近紅外光源，這對于實際應用中的光電領域具有重要意義，預示著鈣鈦礦發(fā)光二極管在未來可能成為傳統(tǒng)III-V族半導體器件的有力競爭者。這種高效的近紅外PeLEDs可以用于生物醫(yī)學成像、夜視設備、通信技術和傳感器等領域。

Baek, SD., Shao, W., Feng, W.et al.?Grain engineering for efficient near-infrared perovskite light-emitting diodes.?Nat Commun?15, 10760 (2024).