作者:袁明鉴等 来源:《光:先进制造》 发布时间:2023/8/4 9:18:40
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迈向全彩显示的钙钛矿发光二极管

金属卤化物钙钛矿(MHP)材料具有色域宽、发光效率高、合成成本低等多项优势。自2014年第一个室温发射的钙钛矿发光二极管(PeLED)被报道以来,PeLED的各项性能参数在几年内迅速提高。绿光、红光和近红外发射的PeLED的外量子效率(EQE)已经超过了20%,蓝色PeLED的EQE也超过了17%。最近,多个科研团队已经实现了运行稳定性超过1万小时的PeLED,消除了人们对钙钛矿材料本征不稳定性的担忧。PeLED的性能指标不断接近最先进的有机和量子点LED,并且在色纯度、材料成本等方面表现出独特的优势。PeLED因此在宽色域显示领域脱颖而出,吸引了学术界和工业领域的广泛关注。

尽管取得了惊人的进展,但PeLED在实现商业显示应用方面仍存在一些挑战。一方面,高性能的PeLED只在小面积的活性区工作。当活性区域扩大时,大面积薄膜的高度不均匀性成为主要障碍。另一方面,大多数关于PeLED的研究集中在具有单一发射像素的原型设备上。高分辨率、全彩MHP阵列图案化策略和器件集成技术相对滞后,这强烈阻碍了PeLED显示的商业化步伐。此外,高性能PeLED主要是基于刚性基板制备的,因此限制了其潜在的应用场景。MHP材料具有可溶液加工特性和本征机械柔韧性,这为制备基于MHP的柔性光电器件提供了前景。

鉴于此,南开大学袁明鉴研究员团队在Light: Advanced Manufacturing上发表了题为“Perovskite light-emitting diodes toward commercial full-colour displays: progress and key technical obstacles”的综述文章。

在这篇综述中,作者讨论了PeLED在商业显示应用中的关键技术瓶颈。包括大面积PeLED的制备,PeLED的图案化策略,以及柔性PeLED器件。作者回顾了实现这些目标的技术路线,强调了当前的挑战,并对这些MHP材料和PeLED器件进行了展望,以期将PeLED器件加速推进消费电子市场。

大面积PeLED

大规模制造PeLED对显示面板具有重要意义。然而,在实验室规模生产中展示的高性能PeLED器件通常只有几平方毫米的发射区域。当扩大发射区域时,MHP薄膜的结晶度和均匀性下降,导致器件性能低下。这些缺点使得PeLED在将其优秀的电致发光(EL)特性扩展到大规模生产线上时面临挑战。为了实现器件的大面积和高质量生产,开发可行的大面积MHP薄膜沉积技术是必要的。它包括改进现有的旋涂方法和使用与大规模涂布相兼容的沉积技术,如新型的刮涂或气相沉积方法。

图1. 基于旋涂(a),刮涂(b)和气相沉积(c)的大面积钙钛矿薄膜沉积策略; 基于旋涂(d),刮涂(e)和气相沉积(f)的大面积PeLED器件。图源:Light: Advanced Manufacturing 4, 15(2023)

PeLED的图案化策略

微型或纳米像素阵列及其制造方法对于开发先进的集成光电平台至关重要。精确和高度集成的阵列是将这些新兴的MHP材料纳入全色高分辨率显示器的先决条件。研究人员已经为开发结构化MHP做出了巨大的努力,并在激光、超表面和非线性光学设备中展示出具有独特光电性能的MHP光学薄膜。然而,将图案化的MHP薄膜集成到全彩高分辨率的电致发光器件中仍然存在着严峻的挑战。开发高性能的图案化PeLED需要与现有的器件制造工艺流程相兼容,并实现高光学性能和低电学损耗的统一。在这一节中,作者重点讨论了应用于高分辨率LED器件的MHP阵列图案化尝试。这些策略包括掩膜辅助光刻技术、无掩膜喷墨印刷方法、纳米压印和转印技术。

图2. 图案化钙钛矿阵列的自上而下(a)和自下而上(b)光刻步骤;图案化钙钛矿阵列的纳米压印(c)和压印-转印(d)步骤。图源:Light: Advanced Manufacturing 4, 15(2023)

柔性PeLED

柔性LED器件在便携式、可穿戴显示器和生物医学成像等领域表现出巨大应用潜力。在本节中,作者简要介绍了柔性PeLED的研究进展。作者回顾了柔性和可拉伸设备中MHP发射层的机械性能调节策略,阐释了结构优化和材料光电性能之间的关系。作者介绍了与柔性PeLED兼容的电极材料,如结构化金属、导电聚合物、低维碳材料及其复合材料。他们还提出了对这些候选材料各项性能参数的全面改进策略,如柔韧性、导电性和透光率。作者还讨论了界面和能级工程,以改善这些电极与MHP活性层的兼容性。(来源:先进制造微信公众号)

图3. 柔性可拉伸LED器件的典型应用场景(a);钙钛矿材料在不同晶面方向上的杨氏模量(b);几种典型的柔性电极。图源:Light: Advanced Manufacturing 4, 15(2023)

相关论文信息:https://doi.org/10.37188/lam.2023.015

 
 
 
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