突破效率極限，打破世界紀錄，中國科學家在鈣鈦礦LED領域實現里程碑突破！2018年10月11日凌晨，Nature以背靠背的形式在線發布了2篇來自中國科學家的重要成果，并發表了一篇長文評論。
一篇來自華僑大學（第一單位）魏展畫教授、新加坡南洋理工大學熊啟華教授和加拿大多倫多大學Edward H. Sargent教授的科研團隊。他們報道了一種LED外量子效率（EQE）超過20%的鈣鈦礦LED，工作壽命（T50）超過100h！
另一篇來自南京工業大學黃維（目前單位西北工業大學）和王建浦團隊。他們同樣報道了一種外量子效率（EQE）超過20%的鈣鈦礦LED，能量轉化效率高達12%。
下面，我們介紹一下來自南京工業大學的這篇文章。
第一作者：Yu Cao, Nana Wang, He Tian, Jingshu Guo
通訊作者：黃維、王建浦
通訊單位：南京工業大學、南京郵電大學、西北工業大學
研究亮點：
基于自發形成的亞微米結構，實現了外部量子效率高達20.7%的鈣鈦礦LED。
一提到鈣鈦礦，很多人就會首先想到如日中天的鈣鈦礦太陽能電池。卻不知，作為當前最熱門的明星材料，鈣鈦礦不僅能拿來發電，還能拿來發光！鈣鈦礦因制備成本低、可溶液法制備、熒光量子效率（PLQY）高、色純度高且顏色可調等特性，在平面顯示和固體照明領域也極具潛力。
2014年英國劍橋大學Richard H. Friend等人以MAPbI3-X和MAPbBr3(MA = CH3NH3+)作為發光層，首次報導了能在室溫下工作的近紅外光和綠光的鈣鈦礦發光二極管，測得外量子效率（EQE）分別為0.76%和0.1%。
此后，鈣鈦礦發光二極管便吸引了越來越多的關注。然而，目前報導的綠光和近紅外光鈣鈦礦LED的最高外量子效率分別為14%和12%，且鈣鈦礦發光二極管器件穩定性差，遠低于已經商業化的有機發光二極管（OLEDs）和無機量子點發光二極管（QLEDs）等。
因此，要想實現規模化商業應用，鈣鈦礦LED在效率和穩定性上還有很大的提升空間。
有鑒于此，南京工業大學黃維院士（目前單位西北工工業大學）和王建浦團隊。他們同樣報道了一種外量子效率（EQE）超過20%的鈣鈦礦LED。
圖1. 鈣鈦礦LED器件制造及亞微米結構形成
器件制造
以摩爾比為0.7/2.4/1的5VAV、FAI和PbI2作為前驅體，溶解于DMF中，質量濃度為7%。首先成膜，然后在100℃退火16min，最后沉積到頂部電荷傳輸層。整個器件構成為(ITO)/PEIE-ZnO (30 nm)/鈣鈦礦 (50 nm)/ TFB（40 nm)/ MoO（7 nm)/Au (60 nm)。
圖2. 鈣鈦礦薄膜
亞微米結構形成機理
研究人員利用HAADF-STEM觀察到，在8nm厚的有機層中存在自發形成的亞微米級鈣鈦礦結構。研究表明，這種亞微米結構形成于退火階段。超薄有機絕緣層來源于5AVA脫水反應，有效避免了LED由于鈣鈦礦低覆蓋度造成的電流泄露。
圖3. AFM表征
優異的光學和光電性能
優異的光學性能表明，這種亞微米結構的晶態鈣鈦礦在高效LED中存在重要應用前景。得益于3D鈣鈦礦優異的電荷遷移率和高效的電荷注入性能，電流密度和輻射率得到快速提升。最終，在電流密度為18 mA cm-2條件下，實現了外部量子效率高達20.7%的鈣鈦礦LED器件。另外，得益于地工作電壓，在在電流密度為100 mA cm-2條件下，實現了12%的能量轉化效率。
圖4. 光學性質等測試
圖5. 光電性能
作者簡介：王建浦教授，南京工業大學先進材料研究院教授，博士生導師，2009年在劍橋大學卡文迪許實驗室獲博士學位。
先后在工業界與學術界頂尖的有機光電實驗室針對有機電子器件中的若干重要問題進行了研究。在理解器件壽命與光強關系的基礎上通過像素設計，解決了有機發光二極管（OLED）顯示面板的壽命問題；通過磁場效應與器件物理研究，發現有機半導體中激子自旋統計的控制方法以及揭示光伏器件效率損耗通道；通過器件結構和制備工藝創新，實現了低成本低功耗的有機存儲器件。
近年來在該領域發表包括Nature、 Applied Physics Letters 等在內的SCI 論文20 余篇，其中第一（或通訊）作者10 篇包括Nature Communications 1 篇。獲授權美國專利6 項，向工業界轉讓專利申請權1項。發明美國專利（US7443093，第一發明人）使得OLED 顯示面板壽命至少提高一倍，解決了其走向市場的一個瓶頸問題，已經被市場上OLED 顯示屏廣泛采用。
黃維，中國科學院院士，俄羅斯科學院外籍院士，中國有機電子學與柔性電子學的主要奠基者 ，西北工業大學博士生導師、教授，中國國家杰出青年科學基金獲得者，中國教育部“長江學者”特聘教授，中國國家“973計劃”項目首席科學家。
1992年1月，黃維博士畢業于北京大學并留校任教；1993年12月，赴新加坡做博士后研究；2006年6月，擔任南京郵電大學副校長；2012年7月，擔任南京工業大學校長；2017年6月，擔任西北工業大學黨委常委、常務副校長。
黃維院是國際上最早從事聚合物發光二極管顯示研究并長期活躍在有機光電子學的知名學者之一。從九十年代初開始致力于跨物理、化學、材料、電子、信息和生命等多個學科、交叉融合發展起來的有機光電子學這一國際前沿學科的研究，在構建有機光電子學科的理論體系框架、實現有機半導體的高性能化與多功能化、推進科技成果轉化與產業化方面做了大量富有開拓性、創新性和系統性的研究工作，是中國有機光電子學科的奠基人與開拓者。在有機光電子學、柔性電子學等領域取得了大量系統性、創新性的研究成果。黃維的主要研究領域為納米材料與技術和有機電子與器件等。黃維院士在哲學社會科學領域亦有跨界嘗試，他關注高等教育、管理科學、人才科學、創新管理、經濟發展等方向，在社會服務中躬耕踐行。
參考文獻：
Yu Cao, Nana Wang, He Tian, Jingshu Guo, Jianpu Wang, Wei Huang etal. Perovskite light-emitting diodes based on spontaneously formedsubmicrometre-scale structures. Nature 2018, 562, 249–253.
https://www.nature.com/articles/s41586-018-0576-2
