中国半导体十大研究进展候选推荐（2021-026）——钙钛矿单层高效电致白光中的半导体相变协同光电效应

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工作简介

         ——钙钛矿单层高效电致白光中的半导体相变协同光电效应

发光二极管(LED)是一种基础的半导体元器件，在现代社会具有广泛的用途，如照明、平板显示、医疗器件等。白光LED，作为照明与显示的共性关键基础，从氮化镓蓝色LED突破算起已历时三十余年。2014年，赤崎勇、天野浩和中村修二因“发明高亮度蓝光LED，带来了节能明亮的白色光源”共同获得当年的诺贝尔物理学奖。随着工业界对白光LED成本降低与性能提高的要求，以及新型照明、显示、光通讯等应用形态的要求，研究人员一直在探索白光LED的新原理、新方案、新应用。

近日，针对显示与照明的共性关键基础白光电光源，南京理工大学曾海波团队提出“单层电致白光”新思路，该文报道了钙钛矿的“相变协同光电效应”，基于该效应发展了只有单层发光半导体的高效明亮白光LED。为了开发新型白光LED体系，曾海波研究团队以近年发光二极管的明星材料钙钛矿作为切入点，选择CsPbI₃作为研究对象。其中，α-CsPbI₃具有~ 690 nm红色窄波段发光，δ-CsPbI₃的光学禁带较大，不利于电荷注入，且具有1D晶格特性，容易晶格软化，不利于电荷传输。但是，基于同质异相的CsPbI₃白光LED具有如下几点潜力：1. α-CsPbI₃具有典型的钙钛矿优点，比如高载流子迁移率（0.23 cm² V^-1 s^-1）、较高的辐射复合效率等；2. δ-CsPbI₃具有自陷激子（self-trapped exciton）效应，发光谱覆盖整个可见光；3. α-CsPbI₃可自发向δ-CsPbI₃转变，构筑纳米级同质异构相。

研究团队利用热处理来调控α-CsPbI₃纳米晶薄膜相变程度，构筑α-δ-CsPbI₃异相膜并作为器件发光层。通过显微光谱和超快光谱等技术，澄清了异相膜中载流子的注入和输运由α-CsPbI₃所主导，同时在电场的驱动下从两相界面注入到δ-CsPbI₃中并辐射复合形成宽光谱发光。此外，尽管α-CsPbI₃和δ-CsPbI₃的HOMO能级有一定差异，但更接近于价带水平的界面态有利于空穴从α-CsPbI₃到δ-CsPbI₃的注入，同时电子注入的势垒则较小。该同质异相体系协同效应体现在，利用载流子输运能力更强的α-CsPbI₃来辅助δ-CsPbI₃进行辐射复合，从而能够实现高效明亮的白光LEDs(器件亮度达12200 cd m^-2，最大外量子效率达6.5 %)。

鉴于钙钛矿近年来所展示出的原料及制备低成本、光电及电光转换高量子效率、柔性工艺兼容等优势，本工作提出的“半导体相变协同光电效应”新思路有望既促进对低成本、高性能等传统特征白光LED的研发，又促进对立体、透明、柔性照明显示等新一代白光电光源的探索，将在钙钛矿与照明显示交叉领域引起新一波研究热潮。

图1. (a-b) 基于α-δ-CsPbI₃白光LED器件结构及性能；(c-e) 异相膜空间分辨的光电性质；(f) 白光LED器件工作机理。

研究成果以“Efficient and bright white light-emitting diodes based on single-layer heterophase halide perovskites”为题发表在Nature Photonics上，该论文第一作者为陈嘉伟、王健（华盛顿大学），通讯作者为徐晓宝、宋继中、David Ginger（华盛顿大学）、曾海波。该工作发表后，权威学术新闻媒体ChemistryViews以“Perovskites for White LEDs”为题进行了专门报道；国际著名期刊ACS Nano的副主编Andrey L. Rogach在Light: Science & Applications上以“Towards next generation white LEDs: optics-electronics synergistic effect in a single-layer heterophase halide perovskite”为题进行亮点报道；Materials Today Advances, Nano Energy, Materials Horizon等国际顶级期刊编委Yoshio Bando以“A new path in lighting and display: White light emitting diode with a single active layer”为题在Science Bulletin上亮点报道。

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作者简介

通讯作者

曾海波，国家杰出青年基金获得者，国家万人计划领军人才，英国皇家化学会会士，美国光学会会士，科睿唯安全球高被引科学家（材料科学），爱思唯尔中国高被引学者（物理学和天文学），新型显示材料与器件工信部重点实验室创始人，南京理工大学材料学院院长。

长期从事低维半导体光电材料与器件研究，聚焦光及电磁波（发光显示、探测成像、吸波隐身）功能材料的设计、制备及应用。在国际上发起了钙钛矿量子点主动发光照明显示研究，发展了量子点室温合成方法、QLED用锑烯传输材料、红绿蓝及白光QLED器件，单篇引用超过1000次5篇，先后被Nature、Nature Nanotechnology、Nature Reviews Materials等专题评论为“first”、“initiated”、“developed”、“opened”，获得安徽省科学技术奖一等奖、中国照明学会LED首创奖金奖。共发表Nature Photonics、Nature Materials、Nature Communications等期刊论文300余篇，总SCI引用4万余次，H因子105。

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原文传递

详情请点击论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41566-020-00743-1

《半导体学报》简介：

《半导体学报》是中国科学院主管、中国电子学会和中国科学院半导体研究所主办的学术刊物，1980年创刊，首任主编是王守武院士，黄昆先生撰写了创刊号首篇论文，2009年改为全英文刊Journal of Semiconductors（简称JOS），同年开始与IOPP英国物理学会出版社合作向全球发行。现任主编是中科院副院长、国科大校长李树深院士。2019年，JOS入选“中国科技期刊卓越行动计划”。2020年，JOS被EI收录。

“中国半导体十大研究进展”推荐与评选工作简介：

《半导体学报》在创刊四十年之际，启动实施 “中国半导体年度十大研究进展”的推荐和评选工作，记录我国半导体科学与技术研究领域的标志性成果。以我国科研院所、高校和企业等机构为第一署名单位，本年度公开发表的半导体领域研究成果均可参与评选。请推荐人或自荐人将研究成果的PDF文件发送至《半导体学报》电子邮箱：[e-mail]，并附简要推荐理由。被推荐人须提供500字左右工作简介，阐述研究成果的学术价值和应用前景。年度十大研究进展将由评审专家委员会从候选推荐成果中投票产生，并于下一年度春节前公布。

JOSarXiv预发布平台简介：

半导体科技发展迅猛，科技论文产出数量逐年增加。JOSarXiv致力于为国内外半导体领域科研人员提供中英文科技论文免费发布和获取的平台，保障优秀科研成果首发权的认定，促进更大范围的学术交流。JOSarXiv由《半导体学报》主编李树深院士倡导建立，编辑部负责运行和管理，是国内外第一个专属半导体科技领域的论文预发布平台，提供预印本论文存缴、检索、发布和交流共享服务。

JOSarXiv于2020年1月1日正式上线（http://arxiv.jos.ac.cn/），通过《半导体学报》官网（http://www.jos.ac.cn/）亦可访问。敬请关注和投稿！

文章内容来源于“半导体学报”公众号

编辑：黄琦

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