近日，依托南京工业大学建设的柔性电子全国重点实验室培育建设点最近在科学技术前沿取得重大进展。中国科学院院士黄维、南工大柔性电子（未来技术）学院教授王建浦、副教授朱琳团队合作在钙钛矿发光二极管（LED）研究领域取得重大突破：利用加快辐射复合速率，显著提高荧光量子效率，使钙钛矿LED外量子效率突破30%大关，接近实现产业化的水平。相关成果近日以“Acceleration of radiative recombination for efficient perovskite LEDs”为题发表在国际顶尖学术期刊Nature（《自然》）上。
众所周知，发光二极管（LED）是新型显示领域的关键核心技术，在高端制造业中具有非常重要的地位，是新兴产业、未来产业和新质生产力的典型代表。薄膜LED技术是一类可以把LED器件大面积制备于任意基底（包括柔性基底）的关键技术，也是目前主流手机显示屏制造所普遍采纳的先进技术。随着全球新型显示产业与应用领域不断发展，科技界对更低成本、更高亮度、更优光效的高性能薄膜LED研发愈加深入，不断挑战极限。基于钙钛矿半导体材料的LED是一类新兴的薄膜LED技术，具有加工工艺简便、高亮度高效率等特性。近年来，钙钛矿LED技术在光电器件研究领域备受瞩目，正在孕育颠覆性技术和前沿技术，成为全球新型发光与显示技术激烈竞争的焦点。
西北工业大学黄维院士和南京工业大学王建浦教授（现任常州大学副校长）领衔的创新团队是国际上钙钛矿LED研究的开拓者与引领者。十年前，他们利用界面调控构建高效率器件，在国际上率先突破了钙钛矿LED外量子效率1%的瓶颈。2016年，他们通过多量子阱钙钛矿实现高效发光，有效抑制非辐射复合，创造了外量子效率突破10%的世界纪录。2018年，他们利用溶液法自组装形成亚微米结构，构建了易于出光耦合的新型器件，使得外量子效率迈过20%大关，再度刷新该领域的里程碑。十年栉风沐雨，团队创新成果在全球钙钛矿LED研究领域中形成重大影响，为海内外同行探索高效率钙钛矿LED提供了宝贵借鉴。据国际权威的科技数据库——科睿唯安统计，2022年，南工团队在钙钛矿LED领域发表的高水平研究成果，在其发布的“研究前沿”中位列全球首位。
钙钛矿发光材料有三维、低维之分，其中三维钙钛矿最有潜力实现高亮度下的高效率发光，对未来发光显示技术实现产业化意义重大。然而，近年来三维钙钛矿LED外量子效率普遍停留在20%左右，整体性能提升遭遇瓶颈。“外量子效率由荧光量子效率和光提取效率共同决定。目前，器件光提取效率限制已被突破，荧光量子效率的提升却未及预期。荧光量子效率是辐射复合与非辐射复合过程竞争的结果，也就是说，为了提升荧光量子效率，需要抑制非辐射复合、提升辐射复合。在以往的研究中，研究人员大多采取缺陷钝化的方式来抑制非辐射复合。但即使三维钙钛矿薄膜缺陷密度已经减少到单晶钙钛矿水平，荧光量子效率仍普遍停留在70%左右。”王建浦教授介绍了领域内有关三维钙钛矿材料荧光量子效率提升的世界性难题。
为解决这一难题，该团队另辟蹊径，创造性地提出了一种通过调控晶体生长的方法，生成辐射复合速率更快的钙钛矿晶相，从而显著提高了荧光量子效率。同时，团队巧妙地运用这一创新性方法成功地保持了三维钙钛矿的亚微米结构，使器件的光提取效率不受影响，达到了双管齐下的效果。该研究由此实现了96%的荧光量子效率和大于30%的光提取效率，并进一步制备出外量子效率达到32%的高效钙钛矿LED，再次创造了钙钛矿LED发光效率的世界纪录。“我们同样发现，器件在高亮度下仍能保持高效率，即使在100毫安每平方厘米的大电流密度下，外量子效率仍能保持在30%以上。”朱琳副教授介绍说。
谈及钙钛矿LED的发展，黄维院士非常兴奋地表示，这一重大创新突破进一步彰显了基于钙钛矿半导体材料的薄膜LED技术的巨大潜力，必将推动基于钙钛矿LED的显示技术以及探测技术的产业化步伐。同时，预示着其在绿色照明、航空航天和健康医疗领域的广泛应用前景。“此外，这项创新成果也是我们团队在国家重点研发计划、国家基础科学中心等科研项目的长期支持下，联合国内柔性电子领域多家优势单位，包括福建师范大学（海峡创新实验室）、复旦大学、浙江大学、中山大学和澳门大学等单位联合攻关取得的，这充分体现了学科交叉、协同创新的重要作用。”“值得指出的是，以先后在南京工业大学和福建师范大学攻读硕士和博士学位的李梦梦同学为代表的地方高校研究生在这一工作中发挥了非常重要的作用，他们在王建浦教授、朱琳副教授和曹雨教授的精心指导下，完成了其中相当一部分基础性的实验，表明地方院校在实现高水平科技自立自强中同样可以发挥生力军的作用，成为国家战略科技力量的重要组成部分。毋庸置疑，在参与全球科技竞争的过程中，也提升了地方院校的人才培养质量和水平。”黄维院士非常自豪地补充说。
江苏科技报 葛思佳