中国半导体十大研究进展候选推荐（2021-026）——钙钛矿单层高效电致白光中的半导体相变协同光电效应

发光二极管(LED)是一种基础的半导体元器件，在现代社会具有广泛的用途，如照明、平板显示、医疗器件等。白光LED，作为照明与显示的共性关键基础，从氮化镓蓝色LED突破算起已历时三十余年。2014年，赤崎勇、天野浩和中村修二因“发明高亮度蓝光LED，带来了节能明亮的白色光源”共同获得当年的诺贝尔物理学奖。随着工业界对白光LED成本降低与性能提高的要求，以及新型照明、显示、光通讯等应用形态的要求，研究人员一直在探索白光LED的新原理、新方案、新应用。

近日，针对显示与照明的共性关键基础白光电光源，南京理工大学曾海波团队提出“单层电致白光”新思路，该文报道了钙钛矿的“相变协同光电效应”，基于该效应发展了只有单层发光半导体的高效明亮白光LED。为了开发新型白光LED体系，曾海波研究团队以近年发光二极管的明星材料钙钛矿作为切入点，选择CsPbI₃作为研究对象。其中，α-CsPbI₃具有~ 690 nm红色窄波段发光，δ-CsPbI₃的光学禁带较大，不利于电荷注入，且具有1D晶格特性，容易晶格软化，不利于电荷传输。但是，基于同质异相的CsPbI₃白光LED具有如下几点潜力：1. α-CsPbI₃具有典型的钙钛矿优点，比如高载流子迁移率（0.23 cm² V^-1 s^-1）、较高的辐射复合效率等；2. δ-CsPbI₃具有自陷激子（self-trapped exciton）效应，发光谱覆盖整个可见光；3. α-CsPbI₃可自发向δ-CsPbI₃转变，构筑纳米级同质异构相。

研究团队利用热处理来调控α-CsPbI₃纳米晶薄膜相变程度，构筑α-δ-CsPbI₃异相膜并作为器件发光层。通过显微光谱和超快光谱等技术，澄清了异相膜中载流子的注入和输运由α-CsPbI₃所主导，同时在电场的驱动下从两相界面注入到δ-CsPbI₃中并辐射复合形成宽光谱发光。此外，尽管α-CsPbI₃和δ-CsPbI₃的HOMO能级有一定差异，但更接近于价带水平的界面态有利于空穴从α-CsPbI₃到δ-CsPbI₃的注入，同时电子注入的势垒则较小。该同质异相体系协同效应体现在，利用载流子输运能力更强的α-CsPbI₃来辅助δ-CsPbI₃进行辐射复合，从而能够实现高效明亮的白光LEDs(器件亮度达12200 cd m^-2，最大外量子效率达6.5 %)。

图1. (a-b) 基于α-δ-CsPbI₃白光LED器件结构及性能；(c-e) 异相膜空间分辨的光电性质；(f) 白光LED器件工作机理。

曾海波，国家杰出青年基金获得者，国家万人计划领军人才，英国皇家化学会会士，美国光学会会士，科睿唯安全球高被引科学家（材料科学），爱思唯尔中国高被引学者（物理学和天文学），新型显示材料与器件工信部重点实验室创始人，南京理工大学材料学院院长。

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https://www.nature.com/articles/s41566-020-00743-1