Advanced Materials:双剑合璧——基于双铜基卤化物的高显色指数、稳定的电驱动WLED

在全球能源危机、环保要求不断提高的情况下,发展绿色无毒、低能耗、高光效、长寿命、微型化的白光发光二极管(WLED)无疑具有重要的科学意义和潜在应用。目前,制备WLED的方法有很多,其中最常见的策略是采用蓝色LED激发钇铝石榴石荧光粉,从而产生复合白光。但是,该方法制备的WLED显色指数(CRI)偏低,无法满足高端照明及显示的需求,而且荧光粉中含有战略稀土元素。目前已有报道指出,通过混合多种不同颜色的发光体可以有效解决器件CRI过低的难题,该策略已在传统有机聚合物、镉基量子点和钙钛矿量子点WLED中得到证实。然而,在面向实际应用时,多组分策略制备WLED仍然存在明显的局限性。例如,以特定比例混合不同颜色的发射体会增加器件制备难度及成本,多组分的自吸收效应将引起器件的效率损失,WLED的显色性会随着运行时间而发生显著变化等。

针对上述问题,郑州大学物理学院史志锋副教授、单崇新教授和吉林大学张立军教授等人提出采用具有宽带发光特征的两种铜卤化物组合的策略制备高CRI且可稳定工作的WLED。通过第一性原理计算,作者首先分析了两种材料的相稳定性及相共存特征,并通过一步溶液反溶剂技术成功制备出覆盖整个可见光光谱的CsCu2I3@Cs3Cu2I5复合发射体,其荧光量子产率超过50%,且可冷暖白光可调。通过变温荧光光谱、瞬态吸收光谱和第一性原理计算,作者对CsCu2I3和Cs3Cu2I5两种材料的发光物理进行了分析,证实了其发光来源于自限域态激子复合。此外,两种铜基卤化物材料在发光谱上表现为较宽的谱带和较大的斯托克斯位移,这有效避免了CsCu2I3@Cs3Cu2I5复合体对光子的自吸收效应,对改善WLED的光提取效率非常有利。更重要的是,该CsCu2I3@Cs3Cu2I5复合体具有优良的抗热、紫外光和水/氧稳定性,明显优于其它的金属卤化物半导体,这一优势也通过理论计算两种材料的缺陷特征、分解焓及缺陷扩散势垒等得到证实。进一步,作者将CsCu2I3@Cs3Cu2I5白光复合体作为发光层,通过设计合理的器件结构,成功制备出一系列冷暖白光可调的电注入WLED,其最大亮度为145 cd/m2,CRI高达91.6。而且,由于CsCu2I3和Cs3Cu2I5两种材料优良的稳定性,所制备的WLED可在直流驱动、大气环境下连续工作,器件工作寿命为238.5分钟。通过监测老化过程中WLED的表面温度,作者将发光衰变的原因归结为连续驱动过程中产生的焦耳热,并提出了可行的稳定性改善方案。相关论文在线发表在Advanced Materials (DOI: 10.1002/adma.202001367)上,并于当期Inside Front Cover做简要介绍。上述成果为新型、廉价、高CRI、稳定的WLED设计与制备提供了新的思路。