Light: 黄维&王建浦|顶发光微腔结构实现高效率钙钛矿发光二极管

金属卤化物钙钛矿材料具有可溶液法制备、高荧光量子效率、高色纯度等特点。近年来，钙钛矿发光二极管（PeLED）的器件效率提升迅速，成为下一代照明与显示技术的有力竞争者。然而，由于钙钛矿材料较大的折射率，导致大量的光子被限制在器件内部，阻碍了PeLED效率的进一步提升。

近日，南京工业大学黄维院士和王建浦教授团队在国际顶尖期刊Nature子刊 Light: Science & Applications 发表论文，他们提出通过构筑光学微腔，制备顶发射PeLED，从而大幅度提升器件效率的新思路。光学微腔一方面能够通过Purcell效应提高辐射复合速率，提升材料的荧光量子效率；另一方面，优化的微腔结构可以使更多光子沿着微腔的光轴出射，从而提高器件的出光耦合效率。

现代信息社会的快速发展，对发光显示技术提出了高效率、高亮度、柔性可穿戴等要求。传统的无机发光二极管通常在单晶衬底上通过外延法生长制备，难以获得大面积柔性器件。近年来快速商业化的有机发光二极管能够通过溶液法、蒸镀法制备大面积柔性器件，但有机材料本身的激子特性使其难以在大电流下实现高亮度和高效率。

钙钛矿材料兼具无机半导体高导电性和有机材料可溶液法制备的优点，在下一代显示领域极具竞争力。然而，近年来底发光PeLED的效率逐渐达到瓶颈，效率提升速度放缓。

发光二极管的效率是由荧光量子效率、载流子注入效率、光耦合效率共同决定的。平板型底发光器件的光耦合效率通常为20%左右，其发光层发出的光子大部分被限制在了器件内部，无法从正面出射。

另一方面，将发光器件应用于显示时，还需加上不透光的控制电路，因此显示面板上一部分区域无法发光，也就是产业化过程中面临的开口率的问题。

设计具有微腔结构的顶发光器件，能够有效地同时解决以上两个问题。这是由于微腔结构能够提高器件的出光耦合效率，而顶发光能够解决显示面板的开口率问题。

图1 顶发光器件和底发光器件

构筑基于光学微腔的高效率PeLED需要解决三个难题：1）制备具有高荧光量子效率的钙钛矿薄膜；2）制备高质量光学微腔；3）实现器件内部平衡的载流子注入。

在钙钛矿薄膜的选择上，作者选择了具有多量子阱（MQW）结构的准二维钙钛矿。其优点在于，通过调控大尺寸阳离子和小尺寸阳离子的组分，能够精确地调控钙钛矿的结晶性、形貌以及薄膜内部量子阱的分布。基于此思路，作者获得了致密的MQW钙钛矿薄膜，并将其荧光量子效率提升到了78%。

图2 MQW-PeLED的能级结构及钙钛矿层形貌

构筑高质量的光学微腔需要在器件的两端分别制备全反射和半反射的电极。为此，作者在器件底端蒸镀了100 nm的金电极作为全反射层，并且优化了顶端半反射金电极的厚度，将器件的光耦合效率从20%提升到了30%。

要实现增强型的微腔效应，还需将微腔的光学长度设计到发光半波长的奇数倍。作者发现，通过调控电子传输层ZnO和空穴传输层TFB的厚度，可以有效地调控微腔的光学长度。值得注意的是，优化ZnO、TFB厚度的同时，还要考虑发光层在微腔内部所处的位置是否位于微腔效应增强的位置。

此外，高性能PeLED的实现还依赖于器件内部载流子的平衡注入。作者前期的研究表明，MQW钙钛矿层内部存在快速的（皮秒量级）能量转移，从而使得发光区域主要位于与TFB的交界处。考虑到ZnO和TFB都具有较高的载流子迁移率，因此ZnO的厚度通常低于TFB的厚度。

图3 微腔器件内部不同位置的增强效果及发光区域

基于以上对钙钛矿发光层、器件光学结构及载流子注入/输运方面的优化，作者将微腔结构顶发射PeLED的外量子效率提升至20.2%。该器件表现出显著的微腔效应，不同于底发光器件的朗博体发光，顶发射微腔PeLED在正面的出光显著增强，从而大幅度提升了光耦合效率。

图4 微腔器件外量子效率及发光轮廓

较低的光耦合效率是限制平板发光的重要原因之一，该工作将顶发射微腔结构应用于PeLED，实现了超过20%的外量子效率，是目前顶发射PeLED的效率最高值。该工作的发表，使钙钛矿这种明星材料在LED实际应用方面更进了一步。此外，高质量微腔的制备及其器件内整合，也对电泵浦钙钛矿激光器的实现具有重要的借鉴意义。

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