科幻電視劇《黑鏡》主人公 Grain 佩戴的隱形眼鏡，就像一個顯示器，能夠播放影像，使佩戴者身臨其境般體驗畫面。無需任何笨重的電子設(shè)備，世界的森羅萬象都囊括在這片透明且薄如蟬翼的“隱形眼鏡”中。

想要實現(xiàn)這種透明、輕薄，猶如“隱形眼鏡”一樣的顯示器，研究人員制備使用的光電器件必須要同時兼?zhèn)涓吡孔有屎透咄腹饴?。令人欣喜的是，近日上?？萍即髮W(xué)寧志軍課題組最新研發(fā)鈣鈦礦發(fā)光二極管（PeLED），外量子效率高達(dá) 13.6%，透光率超過 50%，創(chuàng)造了全球歷史新高，有望讓“隱形眼鏡”顯示器從科幻電視劇走向現(xiàn)實生活。

雙添加劑調(diào)控薄膜生長
助力制備高性能 PeLED

上科大制備出這種高性能、高透光率的 PeLED，要歸功于其利用超分子動態(tài)配位誘導(dǎo)分段結(jié)晶法制備出的鈣鈦礦薄膜。

上科大設(shè)計的 PeLED

眾所周知，鈣鈦礦薄膜的生長調(diào)控極為困難，生長的不受控影響著鈣鈦礦的結(jié)晶程度和缺陷，從而影響鈣鈦礦薄膜量子產(chǎn)率，也進(jìn)一步影響了其制備的 PeLED 性能。目前最為經(jīng)典的生長調(diào)控方法是溶液法，即在鈣鈦礦薄膜生長過程中使用添加劑來調(diào)控鈣鈦礦薄膜的組成或形貌，但調(diào)控功能仍然有限。

與常規(guī)溶液法只使用單一添加劑不同，上科大寧教授課題組使用雙添加劑，即在鈣鈦礦前驅(qū)液中加入兩種能夠協(xié)同作用的分子（冠醚和三氟乙酸），來實現(xiàn)鈣鈦礦組成和形態(tài)的同步調(diào)控，以此制備出低缺陷、高量子產(chǎn)率的鈣鈦礦薄膜。

雙添加劑調(diào)控薄膜生長結(jié)晶示意圖，其中冠醚可以和鈣鈦礦 B 位鉛離子進(jìn)行配位，三氟乙酸可以和 A 位甲脒和銫離子配位                  

光譜技術(shù)揭示缺陷性質(zhì)
數(shù)據(jù)驗證薄膜性能

缺陷是高性能鈣鈦礦薄膜的敵人。在寧教授課題組的研究中，熒光光譜技術(shù)被用來表征鈣鈦礦材料的光學(xué)性質(zhì)，以此反映鈣鈦礦薄膜的缺陷程度。其中熒光壽命、量子產(chǎn)率和熒光光譜是該課題組關(guān)注的重點。

上科大寧志軍課題的 HORIBA Fluorolog-3 科研級熒光光譜儀

在鈣鈦礦研究過程中，表征的難點是薄膜的熒光信號弱所導(dǎo)致的壽命采集速度慢、壽命范圍寬以及鈣鈦礦樣品易受水氧的影響等。這就要求熒光光譜儀兼?zhèn)涓吣芰康募ぐl(fā)光源、高靈敏壽命檢測器和更寬的壽命檢測范圍。HORIBA Fluorolog-3 科研級熒光光譜儀能夠滿足這些要求并有幸為這項研究提供幫助。

熒光壽命是反映鈣鈦礦薄膜缺陷程度的方式之一，高熒光壽命通常意味著更少的缺陷。研究結(jié)果說明，相對于單一添加劑的對照組，使用雙添加劑制備的鈣鈦礦?。–rTFA）展現(xiàn)出遠(yuǎn)超對照組的 82 ns熒光壽命（Fig.5）

此外，熒光量子產(chǎn)率和熒光光譜（PL）的半峰寬也能夠綜合反應(yīng)鈣鈦礦薄膜的缺陷情況。通常，深能級缺陷會帶來較多的非輻射復(fù)合（降低量子產(chǎn)率），淺能級缺陷會引入一些帶尾態(tài)從而使熒光光譜展寬。通過測試結(jié)果（Fig.5）可以看出，使用雙添加劑制備的鈣鈦礦薄膜展現(xiàn)出 89% 的高熒光量子產(chǎn)率以及僅 20nm 的 PL 半峰寬，均優(yōu)于不使用或僅適用單一添加劑的對照組，具有較低的缺陷。

簡言之，使用雙添加劑制備的鈣鈦礦薄膜，具有高結(jié)晶度且低缺陷的特點，正是研究人員需要的薄膜。

鈣鈦礦薄膜及其對照組的時間分辨熒光光譜（a）、吸收光譜（b）和發(fā)射光譜（c），其中 CrTFA 為雙添加劑實驗組,W/O，18Cr6 和 STFA 分別為空白對照組與單一添加劑對照組

優(yōu)質(zhì)鈣鈦礦薄膜
制備高性能 PeLED

基于這些優(yōu)質(zhì)鈣鈦礦薄膜，上科大寧教授課題組進(jìn)行多種 LED 的構(gòu)建，以期開發(fā)出更高效穩(wěn)定的 PeLED。

上科大構(gòu)建的小面積（5 mm2）PeLED 取得了 23.9%的外量子效率；大面積 PeLED（1 cm2）也獲得了超高的 21.6% 的外量子效率，這都顯示出鈣鈦礦薄膜的高度均一性以及該方法在大面積顯示器件上應(yīng)用的可能性。此外，結(jié)合半透明電極制備的高透明 PeLED，取得了 13.6% 的外量子效率，超過 50% 的透光率，創(chuàng)造了全球歷史新高。相關(guān)研究成果發(fā)表于Light:Sciece&Application.

上?？萍即髮W(xué)寧教授課題組的研究，為未來顯示器發(fā)展帶來了新的突破契機。此前人類將顯示器從難以搬動變成可攜帶的移動設(shè)備，經(jīng)歷了120年，而下一代顯示器的到來或許指日可待。

科技正在以前所未有的速度推動著人類社會的進(jìn)步，從智能手機到人工智能，從無人駕駛到虛擬現(xiàn)實，不斷挑戰(zhàn)人類想象力的極限。未來讓我們一起期待更多的可能性!

寧志軍課題組的研究領(lǐng)域為基于溶液法組裝的光電轉(zhuǎn)化材料與器件，針對溶液法組裝光電材料與器件中的電荷輸運、光吸收與發(fā)射等基礎(chǔ)問題，從材料設(shè)計與合成、納米結(jié)構(gòu)制備、器件結(jié)構(gòu)等角度來展開研究，協(xié)同新材料的開發(fā)以及器件結(jié)構(gòu)構(gòu)筑來開發(fā)高效穩(wěn)定光電器件，包括鈣鈦礦太陽能電池和發(fā)光二極管、膠體量子點紅外探測器等。

課題組長寧志軍教授入選萬人計劃領(lǐng)軍人才，上海市優(yōu)秀學(xué)術(shù)帶頭人，獲得霍英東教育基金會高等院校青年科學(xué)獎，連續(xù)入選科睿唯安高被引科學(xué)家，擔(dān)任Cell Report Physical Science顧問編委、ACS Materials Letters的Early Career Advisory Board Member、Science Bulletin和Science China Chemistry青年編委。2017年獲得上海市自然科學(xué)一等獎（排名第四），2015年入選國家級青年人才計劃。

供稿：上?？萍即髮W(xué) 王浩

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