近日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)姚宏斌課題組基于新型銅碘雜化團(tuán)簇構(gòu)筑了低成本、高效率、高亮度暖白光發(fā)光二極管（LED）器件。得益于所設(shè)計(jì)的銅碘雜化團(tuán)簇具備的高構(gòu)型熵、高發(fā)光效率和寬光譜發(fā)射等特性，實(shí)現(xiàn)了高效暖白光LED器件無(wú)摻雜、低成本、大面積的溶液法涂布制備，是非鉛金屬鹵化物L(fēng)ED領(lǐng)域的新突破。相關(guān)研究成果以"High efficiency warm-white light-emitting diodes based on copper–iodide clusters"為題，于12月19日發(fā)表在Nature Photonics雜志上。
如今LED照明技術(shù)和產(chǎn)業(yè)取得了長(zhǎng)足的發(fā)展，其中溶液法涂布制備的LED器件由于制造工藝簡(jiǎn)單和可操作性強(qiáng)，被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)下一代大面積固態(tài)照明的低成本技術(shù)路線(xiàn)。目前，基于鉛鹵化物鈣鈦礦材料、有機(jī)半導(dǎo)體材料以及各種膠體核殼量子點(diǎn)材料的溶液法LED器件已經(jīng)逐步實(shí)現(xiàn)了較高的電致發(fā)光性能。然而，鉛鹵化物鈣鈦礦和CdSe量子點(diǎn)等含有重金屬材料具備一定的生物毒性因而面臨著嚴(yán)峻的環(huán)境問(wèn)題；基于低毒金屬元素的有機(jī)發(fā)光分子，InP量子點(diǎn)以及ZnSe量子點(diǎn)等材料的溶液法LED器件由于材料合成制備工藝復(fù)雜，生產(chǎn)成本較高，使得其在大規(guī)模制造方面仍然面臨較多的問(wèn)題。因此，制備和開(kāi)發(fā)價(jià)格低廉、環(huán)境低毒且易規(guī)?；a(chǎn)的高效發(fā)光材料并實(shí)現(xiàn)高效溶液法LED器件是發(fā)展低成本固態(tài)照明的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。
鑒于此，課題組基于銅碘雜化團(tuán)簇體系設(shè)計(jì)和制備了一類(lèi)可用于溶液加工的寬光譜發(fā)射雜化團(tuán)簇并成功構(gòu)建了高性能暖白光LED器件（圖1）。通過(guò)同時(shí)引入氮膦螯合配體和高自由度的含膦增溶配體對(duì)銅碘團(tuán)簇進(jìn)行修飾，得到了兼具高發(fā)光效率和高溶解度的銅碘雜化團(tuán)簇，該團(tuán)簇在LED器件制備所使用的交叉溶劑N,N-二甲基甲酰胺（DMF）中表現(xiàn)出超過(guò)200mg/mL的高溶解度和良好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。使用銅碘團(tuán)簇/DMF溶液進(jìn)行旋涂制備得到的發(fā)光薄膜具有0.22 nm的低表面粗糙度和超過(guò)70%的高發(fā)光量子產(chǎn)率，將其直接作為發(fā)光層，能夠通過(guò)正交溶劑路線(xiàn)制備低成本的暖白光LED器件。所得器件最大外量子效率達(dá)到19.1%，亮度超過(guò)40000 cd m-2，并且工作壽命超過(guò)232小時(shí)（T50@100 cd m-2）。與此同時(shí)，得益于團(tuán)簇良好的溶液加工性能，研究成員通過(guò)大規(guī)模刮涂技術(shù)，構(gòu)筑了工作面積為36 cm2的大尺寸溶液法LED器件，該器件展現(xiàn)出亮度接近60000 cd m-2的暖白光發(fā)射（圖2）。此外，通過(guò)在氮膦螯合配體的氮雜環(huán)上修飾不同的供電子基團(tuán)，課題組展示了一系列發(fā)光顏色可調(diào)的溶液法LED器件（圖3）。該研究工作實(shí)現(xiàn)了基于銅碘雜化團(tuán)簇材料的高效、高亮度暖白光LED器件的構(gòu)筑，銅碘雜化團(tuán)簇材料體系所具備的結(jié)構(gòu)可拓展性以及光譜可調(diào)節(jié)性使其在低成本高性能LED面板等固態(tài)照明技術(shù)中展現(xiàn)出巨大的潛力。
中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)王晶晶（博士）、馮力喆（博士研究生）、師廣益（碩士研究生）和楊俊楠（博士）為本文的共同第一作者；中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)姚宏斌教授為本文的通訊作者。本工作得到國(guó)家杰出青年科學(xué)基金、中國(guó)科學(xué)院先導(dǎo)計(jì)劃、稀土資源利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)原創(chuàng)探索項(xiàng)目、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)“雙一流”專(zhuān)項(xiàng)基金的資助。
本工作特別致謝南京工業(yè)大學(xué)王建浦教授，福建物構(gòu)所陳學(xué)元研究員，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)肖正國(guó)教授、樊逢佳教授以及合肥國(guó)家同步輻射實(shí)驗(yàn)室鄭旭升教授在表征測(cè)試、器件制備和數(shù)據(jù)分析等方面提供的大力幫助與支持。
圖1.高效暖白光溶液法LED器件的構(gòu)筑
圖 2.刮涂法制備大面積暖白光LED器件
圖 3.光譜可調(diào)的溶液法LED器件
論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41566-023-01340-8
（化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院、合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國(guó)家研究中心、科研部）
