Nat. Rev. Mater.：商業化鈣鈦礦發光器件如何發展？

一、【導讀】

在當前的信息社會中，顯示器已經成為方便人類的核心技術。發光二極管（LED）是顯示技術的重要組成部分，它們需要具有高顏色純度、高發光效率、高分辨率和長期穩定性。在目前的顯示器中，有機發光二極管（OLED）具有高效率和長壽命的特點，廣泛應用于手機和電視等各種顯示器市場。目前，商用OLED使用真空蒸發生產，這需要高成本來制造OLED堆疊的多層結構。無機膠體量子點（QD）也用于液晶顯示器（LCD）中的顏色轉換。雖然量子點可以提供超過國家電視系統委員會標準110%的色域，半高寬約為30?這仍然不足以滿足高彩色純度顯示器所需的顏色標準。量子點的其他缺點，例如其昂貴和復雜的合成，大大阻礙了QD LED的廣泛應用。

金屬鹵化物鈣鈦礦（MHPs）具有優越的光電性能，因此鈣鈦礦發射體和鈣鈦礦發光二極管（PeLEDs）是新一代高色純度顯示和照明應用的重要候選材料。在過去的5年里，MHP發射器和PeLEDs的發光效率迅速提高。然而，鈣鈦礦的工業應用受到幾個技術瓶頸的阻礙，如顏色再現性不足、操作穩定性低、毒性和大規模生產限制性等。相比之下，PeLED的研究只有短短幾年的時間。但是，相比于OLED和QD LED，PeLED的外量子效率（EQE）迅速提升。當然，PeLED的商業化也具有一些挑戰性，它們的運行穩定性不足是最大的問題之一，以及需要開發對于MHPs的環境友好合成路線和大規模生產的工藝方法。

二、【成果掠影】

近日，首爾大學Tae-Woo Lee教授團隊綜述了MHPs LED和PeLEDs的現狀，并提供了一份技術路線圖，以突出它們成功進入高色彩純度、增強和虛擬現實顯示器以及通用和特殊照明的生動顯示器市場的目標和要求。作者還制定了未來在MHPs及其設備應用方面的研究步驟。本綜述通過考慮消費電子市場的需求和工業層面對PeLEDs的需求，確定了MHPs材料和PeLEDs向商業化發展的關鍵挑戰，提出了一套PeLEDs研究的技術路線圖，針對材料和器件向應用方向的技術發展，以指導這一新興領域的研究。相關研究成果以題為“A roadmap for the commercialization of perovskite light emitters”發表在知名期刊Nat. Rev. Mater.上。

三、【核心創新點】

作者重點突出了MHPs LED和PeLEDs的現狀，實際應用的目標和要求，最后還為MHPs及其設備應用的未來研究制定了步驟。

四、【論文掠影】

圖一、鈣鈦礦LED的當前發展趨勢

（a）鈣鈦礦發光二極管（PeLEDs）的外量子效率（EQE）和壽命隨時間的變化。

（b）Rec.2020中不同類別發射器的紅、綠和藍半高寬（FWHM）。

（c）由不同材料制成的顯示器的色域覆蓋范圍。

（d）從經濟和環境角度比較發光材料。

圖二、鈣鈦礦發光器件技術路線圖

（a）金屬鹵化物鈣鈦礦可用于光致發光（PL）型顯示器，也可用于電致發光（EL）型發光二極管顯示器。

（b）未來10年鈣鈦礦基光源和發光二極管發展的技術路線圖。

圖三、鈣鈦礦納米晶（PeNCs）的合成與表面修飾策略

（a）PeNCs用于鈣鈦礦發光二極管PeLEDs的EQE與波長的關系。

（b）PeNCs的配體輔助再沉淀法合成示意圖。

（c）熱注射法合成PeNCs示意圖。

（d）各種PeNCs的能級圖。

（e）不同配體組成的PeNCs的光致發光量子產率（PLQY）和載流子遷移率。

（f）PeNCs核殼結構的要求、實例及積極效應。

圖四、鈣鈦礦多晶薄膜的晶體生長策略

（a）采用不同的生長和鈍化方法獲得了多晶鈣鈦礦薄膜的EQE與波長的關系。

（b）晶體生長過程中溶液中前驅體濃度的變化。

（c）晶體尺寸的原位控制示意圖。

（d）金屬鹵化物鈣鈦礦的激子結合能與三維鈣鈦礦晶體尺寸的關系。

（e）層狀準二維或二維鈣鈦礦形成的示意圖。

（f）準二維鈣鈦礦中激子結合能和能帶隙與層數的關系。

圖五、鈣鈦礦中的缺陷調控策略

（a）金屬鹵化物鈣鈦礦的體、表面和界面缺陷示意圖。

（b）鈣鈦礦晶體結構及其缺陷示意圖。

（c）TBPO和TPPO在垂直于[001]方向的Pb-I平面上的結合能，即鈣鈦礦晶體的暴露面。

（d）茶堿、咖啡因和可可堿在帶有Pb_I反位缺陷的鈣鈦礦表面上的結合能。

（e）氨基官能化鈍化分子（HMDA）和EDEA在帶有碘空位的鈣鈦礦表面上的結合能。

（f）硫硫脲（TU）、硫代乙酰胺（TAA）、氨基硫脲（TSC）和氮供體（胍（GU））在SnI₂端接的鈣鈦礦表面上的結合能。

圖六、鈣鈦礦LED應用的問題和解決方案

如圖展示了鈣鈦礦材料和鈣鈦礦LED應用面臨的挑戰，潛在解決方案和鈣鈦礦LED最有前景的應用前景（EL和PL顯示器、VR、AR、照明等）。

五、【前景展望】

在本綜述中，作者討論了顯示和照明行業MHP發射器商業化的技術挑戰和路線圖，并總結了MHPs和PeLEDs開發中的重要技術策略。技術路線圖預測了MHPs潛在工業應用的時間線，包括PL型顯示器、EL型顯示器、近眼顯示器以及一般和特殊照明，并考慮到當前技術狀態，為相關必要技術設定了優先順序，強調MHPs和PeLEDs開發中仍然存在的挑戰。雖然MHP和PeLEDs在短時間內取得了巨大進展，但仍存在一些關鍵挑戰，如拓寬MHPs的色域、提高其運行可靠性、開發無害環境的MHPs以及改進大面積生產技術。最后，作者提出了解決目前阻礙MHPs和PeLED在PL和EL顯示器以及一般和特殊照明等應用中使用的主要挑戰的策略。

文獻鏈接：A roadmap for the commercialization of perovskite light emitters ( Nature Reviews Materials 2022, DOI: 10.1038/s41578-022-00459-4)