不对称性有助于创造更稳定的蓝色钙钛矿LED结构

冲绳科学技术大学研究生院（OIST）的研究人员开发了基于金属卤化物钙钛矿材料（metal halide perovskite）的蓝色LED，该材料首次使用不对称桥（asymmetrical bridges）将钙钛矿层固定在一起，创造了一种更稳定的结构。

研究人员表示，它可能使钙钛矿LED离商业化更近一步。

研究人员表示，钙钛矿有可能成为照明行业真正的游戏规则改变者。在短短几年内，钙钛矿LED的效率——它们将电能转化为光能的能力，已经飙升至与传统LED相媲美的水平，并且将很快超过传统材料。除了效率高之外，钙钛矿LED还比市场上当前的LED技术具有更多优势，因为它们有可能以低生产成本产生更亮、更纯的颜色。

然而，钙钛矿LED的稳定性仍然是一个巨大的障碍，即使是最稳定的LED，其使用寿命也只有几百小时。尤其是蓝色LED，效率远远落后于红色和绿色LED。但是，如果没有蓝色LED，钙钛矿在彩色显示器或光源中的实际应用会受到限制，因为需要混合红、绿和蓝光才能产生包括白色在内的全系列颜色。

研究人员解释，从历史上看，蓝光的发射一直很难实现。最初使用氮化镓制造的获得诺贝尔奖的蓝色LED，比红色和绿色LED的开发时间长长了30年——即使是现在，制造大型、高质量的氮化镓晶体仍然比较困难，且成本高昂。因此，研究新的蓝色发光材料，例如钙钛矿，至关重要。

在这项研究中，科学家们研究了蓝色钙钛矿LED中的主要问题之一——卤化物偏析问题。当金属卤化物钙钛矿晶体形成时，卤化物以八面体形状键合在金属原子周围。正离子位于这些八面体形状中的四个之间。

然而，当在钙钛矿LED上施加LED发光所需的电压时，它会导致形成八面体结构的负卤离子分离，并向LED的正端迁移。八面体形状之间的正离子也迁移到LED的负端。这种离子迁移会降低钙钛矿结构，导致LED的效率直线下降，蓝色变为更绿色的色调。

为了尝试解决卤化物偏析问题，研究人员制造了一种具有称为Dion-Jacobson相结构的钙钛矿结构蓝色LED，其中钙钛矿晶体的二维(2D)层相互堆叠。然后钙钛矿层通过分子桥连接在一起，增加了整个结构的稳定性。

研究人员首次探索了使用两端不同的不对称桥是否会影响钙钛矿LED的整体特性。研究人员发现，当桥接分子不对称时，它会减慢离子在钙钛矿层间的迁移，从而提高钙钛矿结构的稳定性。

该团队提出，不对称会导致电子在桥接分子上的分布方式发生变化，从而在层间产生一个小的偶极电场。这种偶极子电场会干扰离子迁移，从而保持结构稳定性。

研究者表示，这项研究除了解决钙钛矿LED中的卤化物偏析问题外，使用不对称桥的策略也可以应用于其他基于钙钛矿的器件，例如钙钛矿太阳能电池。

题为Spectral Stable Blue-Light-Emitting Diodes via Asymmetric Organic Diamine Based Dion–Jacobson Perovskites的相关研究论文发表在《美国化学会杂志》（Journal of the American Chemical Society）上。

前瞻经济学人APP资讯组

论文原文：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.1c07757