一、文章簡介

曾海波教授領銜的新型顯示材料與器件工信部重點實驗室與德國慕尼黑工業大學合作在國際頂級期刊Nature Reviews Materials上以“Bespokecrystalline hybrids towards the next generation of white LEDs”為題發表前瞻性評述。

曾海波團隊長期從事低維半導體材料與光電（顯示、探測、隱身、能源）器件研究。在國際上發展了該體系紅綠藍及白光QLED器件。2021年，團隊在國際頂級期刊Nature Photonics上首次報道了基于單層金屬鹵化物的高效電致白光（NaturePhotonics 15 (3), 238-244，ESI前1%高被引論文，ESI前0.1%熱點論文），促進新一代照明顯示白光電光源的發展，在鈣鈦礦與照明顯示交叉領域引起了新一波研究熱潮。基于此，團隊深入探討和總結了目前單層白光LED在發光材料設計及性能提升方面存在的問題，并對如何提升電荷傳輸性能、提升器件穩定性等方面提出了建議和展望。

二、背景與挑戰

根據《World Energy Outlook 2021》分析，白光照明的電能消耗約占每年全世界電量的20%，并占據了全球12%的二氧化碳排放量。發光二極管（LED）是電力驅動的光源，具有體積小、重量輕、能效高等優勢。目前商業化的LED照明技術為藍光LED芯片（如氮化鎵）激發熒光粉產生互補色從而混合形成白光，該成果也獲得2014年的諾貝爾物理學獎。高亮度白光LED的問世顛覆了現代人類的生活。不過，問題也隨之產生。

1. 藍光污染

以藍光芯片作為激發光源，使得產生的白光光譜中具有極高的藍光比例，進而引發嚴重的藍光污染問題。大量的短波長藍光引發了現代社會人們睡眠障礙和視網膜損傷的根源。藍光不僅會擾亂人們體內褪黑色素的正常分泌，對于自然界的生物的棲息與繁衍，如鳥類、昆蟲、魚類、海龜、海藻等，都造成了極大的干擾，其活動、辨向、競爭、交流能力皆受到影響。諾貝爾獎得主也曾親承：藍光污染問題是未曾預料的。

2. 光譜缺失

目前商業化的白光LED通常是通過藍光芯片激發黃光熒光粉獲得白光，這使得白光光譜缺失青光及紅光部分，導致其CRI（顯色指數）較低。太陽光及白熾燈色顯色指數均為100%，而LED一般僅在70%左右，難以還原照射物品的本征色彩。

3. 光轉換效率不高，自吸收效應

藍光LED加熒光粉的組合面臨著電激發+光轉換兩個過程。因此，在光轉換的過程中，能量的低效利用、二次能量的耗散則是難以規避的問題

因此，如何設計健康、高顯色指數、高效的白光材料與器件對于未來新一代環境友好的高質量白光具有極為深遠的意義。

三、討論與展望

具有自陷態激子特征的金屬鹵化物材料被認為是下一代健康、高質量照明的理想候選材料。此種材料的寬譜發光可覆蓋整個可見光光譜（全光譜照明），同時具有大的斯托克斯位移（避免自吸收效應）。將自陷態材料作為單一發光層并以此構筑電致發光器件，不僅可以從源頭上最大限度地減少藍光污染（無藍光激發源），而且避免自吸收效應，同時克服了傳統LED光激發過程中二次能量損失并簡化器件結構。2018年，研究人員報道了具有超高熒光量子產率（86%）的自陷態雙鈣鈦礦材料Cs₂(Ag_0.60Na_0.40)InCl₆（Nature 563 (7732), 541-545）。然而，較差的電荷傳輸特性阻礙了自陷態材料進一步實現高效電致白光。2021年，研究人員通過設計同質異相結構α/δ-CsPbI₃，借助異相光電協同效應有機結合優異光電性能及載流子傳導能力和的自陷態寬光譜特性（Nature Photonics 15 (3), 238-244），最終獲得了外量子效率6.5%、亮度超過12200 cd m^-2的高效高亮度電致白光，達到了商業應用閾值（外量子效率6%，亮度1000-10000 cd m^-2）。

據此，作者認為通過將自陷態納米材料嵌入金屬有機框架、共價有機框架等結構，利用其自身的納米級空間，一方面可以調控自陷態材料的生長與鈍化缺陷，提供優異的有機配體修飾平臺和孔徑并提升其發光性能及穩定性；另一方面可以降低激子自陷的能壘并調控自陷態材料的電荷傳輸性能，使得載流子的傳輸與注入更為高效。研究人員認為通過合理設計自陷態金屬鹵化物與有機框架的結構及性能，可為未來健康、高質量的新型照明和顯示技術的發展開辟一條新的道路。

曾海波教授簡介：國家杰出青年基金獲得者，國家高層次領軍人才，英國皇家化學會會士，美國光學會會士，科瑞維安全球高被引科學家，愛思維爾全球2%頂尖科學家。現任中國儀表功能材料學會常務理事，中國顆粒學會發光顆粒專委會主任，江蘇省顆粒學會副理事長，材料研究學會副理事長。長期從事半導體光電材料與器件的教學和研究工作，包括發光材料與成像顯示技術，吸波材料與隱身技術，二維半導體與集成電路技術。以第一或通訊作者發表Nature Photonics、Nature Reviews Materials、Nature Electronics、Nature Communications (8)、Advanced Materials (25)等期刊論文235篇，ESI高被引論文45篇，SCI引用40,000余次，H因子101，其中5篇研究論文的單篇引用超過1000次，獲Nature、Nature Nanotechnology等專題亮點評論18次。

李偉金教授簡介：海外高層次引進人才（國家級青年計劃），洪堡學者，福建省自然科學獎一等獎（排名第五）獲得者，江蘇省材料協會會員。主要從事無機-有機雜化材料及電（導電、介電等）、磁調控和發光顯示調控。以第一或通訊作者發表NatureCommunications, Nature Review Materials和Advanced Materials等期刊論文>37篇，被引超過1500次。