近日，中國科學技術大學肖正國教授研究團隊在提高鈣鈦礦發光二極管（LED）壽命方面取得了重要進展。他們提出了一種被稱作“弱空間限域”的新方法，制備出了晶體顆粒更大、更耐高溫的全無機鈣鈦礦薄膜，成功將LED亮度提高到116萬尼特以上，使用壽命超過18萬小時。6月11日，相關研究成果發表在《自然》期刊上。
鈣鈦礦是一種性能優越的新型材料，具有高發光效率、成本低廉和制作靈活的優點，在太陽能電池、LED和探測器中應用前景廣泛。然而，由于傳統的鈣鈦礦材料中，電子和空穴（負責發光的電荷）難以有效碰撞發光，因此科研人員之前多采用“強空間限域”的方法——例如制作非常小的納米顆粒或極薄的材料層，來提高發光效率。但這種方法的缺點是LED很難達到高亮度，而且使用壽命短，通常只能持續工作數小時，很難應用在實際生活中的產品中。
不同空間限域的鈣鈦礦示意圖
為了解決這一難題，肖正國團隊提出了一種完全不同的策略——“弱空間限域”。他們在鈣鈦礦材料里添加了特定的化合物，即次磷酸和氯化銨，通過高溫退火工藝，制備出晶體顆粒更大、缺陷更少的新型鈣鈦礦薄膜。這種新材料內部更加有序，避免了傳統方法制備出的小晶體所帶來的缺陷問題，極大地提升了LED的穩定性和亮度。
研究表明，在效率方面，這種新型鈣鈦礦LED的發光效率超過22%，與商業化顯示產品的發光效率持平。與目前市場上的主流商用OLED或LED屏幕相比，新型鈣鈦礦LED的極限亮度達到了116萬尼特。人們日常使用的顯示屏幕最高亮度通常在數千尼特以內，所以按照正常亮度100尼特計算，新型鈣鈦礦LED理論上能使用超過18萬小時，已經達到商業化LED產品的廣泛標準。
研究人員介紹，這項突破性技術不僅成功克服了以往鈣鈦礦LED在效率和穩定性上難以兼得的技術瓶頸，更有望在未來廣泛應用于高端顯示屏、超高亮度照明等領域，推動LED技術進入一個嶄新的時代。
該研究由中國科學技術大學物理學院博士研究生彭琛琛、姚海濤、Othman Ali、特任副研究員陳文靜和復旦大學微電子學院楊迎國研究員共同完成，肖正國教授為通訊作者。
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