中科大团队开发新型暖白光LED，最大发光效率接近理论水平
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麻省理工科技评论-中科大团队开发新型暖白光LED，最大发光效率接近理论水平
目前，发光二极管（light-emitting diode，LED）已发展成为应用广泛的照明器件。与传统的白炽灯相比，它具备节能、亮度高、光效好、光谱的可变性强等诸多优势。
一般情况下，LED 照明灯大多是通过蓝光芯片和黄色荧光粉结合来实现的，但所带来的蓝光光谱过强，会给视力、生理变化等方面带来不利影响。因此，基于面向未来、健康高效的固态照明发展需求，该领域的科学家们正在针对该技术开展进一步探究。
通过溶液处理方法加工而成的 LED，因具有较为简单的制造工艺，被看作是下一代规模化固态照明技术发展的关键。
其中，基于碘化亚铜杂化团簇制备的 LED，更是因为材料来源丰富、发光效率高、生物毒性低等优点，而得到科学家们的重点关注。
即便如此，此类 LED 的发展依然受到了如下几个方面的制约，包括碘化亚铜团簇在溶液中的可加工性和兼容性较差，以及作为 LED 发射层的薄膜质量过低导致器件性能不佳等。
为了解决上述问题，来自中国科学技术大学的研究团队采用溶液加工法，制备了一种暖白光 LED。新型碘化亚铜杂化团簇，则是其中的关键设计。
在制备过程中，课题组成员使用二苯基-2-吡啶膦作为桥接配体、三（3-甲基苯基）膦作为溶解度增强基团，能够在极性溶剂二甲基甲酰胺中，显示出很高的结构稳定性和溶解度，并进一步得到了表面粗糙度为 0.22 纳米的溶液加工薄膜。
他们把该薄膜用于 LED 的发射层中，制备出最大外量子效率达 19.1%、最高亮度超过 40000cd m-2，以及最高使用寿命达到 232 小时的暖白光 LED 器件。
“我们做出的发光器件的发光效率接近理论水平。同时，与此前报道的同类发光器件相比，也属于第一梯队。”中国科学技术大学姚宏斌教授表示。
在此基础上，该课题组还利用工作面积为 36cm2 的高质量溶液加工薄膜，制备亮度高达~60000cd m-2 的大面积均匀暖白光 LED。这也充分展示了基于新型碘化亚铜杂化团簇的 LED，在固态照明、面板显示等领域的应用潜力。
近日，相关论文以《基于铜-碘化物杂化团簇的高效暖白色发光二极管》（High efficiency warm-white light-emitting diodes based on copper–iodide clusters）为题在 Nature Photonics 上发表[1]。
中国科学技术大学王晶晶博士、博士研究生冯力喆、硕士研究生师广益和杨俊楠博士为该论文的共同第一作者，姚宏斌担任该论文的通讯作者。
据介绍，早在 2018 年，姚宏斌便带领团队开启了关于碘化亚铜杂化团簇材料的相关探索。
他们研究了许多该材料的新设计，发现其中存在一个很大的问题，即材料在溶解到二甲基甲酰胺溶剂中时会发生破坏，导致无法顺利得到初始的团簇发光材料。
“后来我们发现通过一些双核结构，再结合侧链配体和二甲基甲酰胺溶剂之间相容性较高的特性，能够保证材料在正常溶解的同时，结构不被破坏，进而设计出可以稳定存在的团簇，并得到具有高发光效率的平整薄膜。”姚宏斌解释道。
如上所说，该团队制备出的暖白光 LED 在发光效率和亮度上均具备显著优势。不过，需要说明的是，该器件的使用寿命距离实际应用还有很长一段距离。
姚宏斌表示：“我们器件的使用寿命是几百个小时，但落实到真正应用中需要达到十万小时甚至百万小时。
要想朝着这个方向迈进，实现有用的健康照明，必须解决的问题还有很多，不仅仅包括发光体，还要考虑传输层和界面的相互作用，而这也是课题组接下来的研究重点。”
事实上，除了涉及到电致发光的该项研究，该课题组还在相同的材料体系中，发展了许多其他类型的材料应用。
比如，利用该材料制备太阳能聚光器，能将吸收到的紫外光转化成可见光，并传输到太阳能电池上进行发电。又或者是，利用该材料替代荧光材料，以制备防伪材料和紫外光保护膜等。
课题组成员对于在该材料体系中能够取得目前的进展感到非常欣慰，同时也希望继续向前推进，以开辟更多新的应用场景。
参考资料：
1. Wang, JJ., Feng, LZ., Shi, G. et al. High efficiency warm-white light-emitting diodes based on copper–iodide clusters. Nature Photonics (2023). https://doi.org/10.1038/s41566-023-01340-8
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