撰稿 | 相恒陽

說明 | 本文來自論文作者（課題組）投稿

· 作者薦語

作為照明和顯示領(lǐng)域的關(guān)鍵基礎(chǔ)元器件之一，白光電光源的開發(fā)進(jìn)程決定了光電信息時代的更新演進(jìn)，因此如何更有效地實(shí)現(xiàn)高效的白光發(fā)光二極管（LED）是一個重要的課題，也是眾多研究人員關(guān)注的 “熱點(diǎn)”。

我們課題組也一直在思考和探索這個方向，形成了一些觀點(diǎn)和想法，并以“Research Progress of Full Electroluminescent White Light-Emitting Diodes Based on a Single Emissive Layer”為題在 Light: Science & Applications 發(fā)表了一篇綜述文章。

我們認(rèn)為，單層發(fā)光層有望成為一種“化繁為簡”的方法，從發(fā)光原理到器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，簡化白光 LED 的技術(shù)制程，實(shí)現(xiàn)更高效發(fā)光，我們稱之為 SEL-WLED（WLEDs based on a single emissive layer）。

          ——曾海波教授

一、什么是 SEL-WLED

簡單來說，SEL-WLED 就是利用單一發(fā)光層實(shí)現(xiàn)白光發(fā)射的電致發(fā)光。

通常地，大家普遍認(rèn)為的白光，其實(shí)是多種顏色的混合色，尤其是指紅綠藍(lán)三基色的混合。涉及到多種顏色，自然就涉及到器件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)以及不同顏色發(fā)光層的設(shè)計(jì)。多種發(fā)光材料、多層結(jié)構(gòu)、逐層制備等等，這些都意味著繁瑣的制程，是增加 WLED 制備成本的主要源頭。如果能用單一材料的發(fā)光層來替代多層結(jié)構(gòu)，無疑會大大簡化這個制程，而且傳統(tǒng)WLED中存在的載流子分配的競爭和調(diào)控等難題也能得到改善。

這樣的策略，早在 WLED 剛出現(xiàn)的時候就已經(jīng)得到了驗(yàn)證，與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的 WOLED（White Organic Light Emitting Diode），WQLED（White Quantum-dot Light Emitting Diode）一起發(fā)展至今。如圖1所示，從上個世紀(jì)末開始，不斷有基于有機(jī)材料、量子點(diǎn)材料、鈣鈦礦材料的SEL-WLEDs涌現(xiàn)出來，眾多的研究人員對其始終保持著研究熱情。

圖1. SEL-WLED發(fā)展時間線

二、SEL-WLED：發(fā)光材料及其發(fā)光機(jī)理

在白光電光源發(fā)展的二十多年間，諸多發(fā)光材料被開發(fā)出來并嘗試實(shí)現(xiàn) SEL-WLED，其中典型的主要可以分為有機(jī)分子、量子點(diǎn)以及近幾年異軍突起的鈣鈦礦材料。

如圖2所示，相比于傳統(tǒng)量子阱結(jié)構(gòu)的晶體 LED（圖2a），由于引入有機(jī)分子、量子點(diǎn)、鈣鈦礦等具有可見光范圍可調(diào)節(jié)的發(fā)光材料，器件結(jié)構(gòu)得到了逐步的簡化，從多層結(jié)構(gòu)（圖2b）到單層結(jié)構(gòu)（圖2c），從多種發(fā)光材料（圖2b、2c）到單一發(fā)光材料（圖2d），實(shí)現(xiàn)了超薄、超輕、甚至可以柔性彎折的白光 LED，這些研究進(jìn)展無疑顯示出了白光 LED 在“化繁為簡”的方向上取得了顯著的成果，也顯示出了新型發(fā)光材料在推動白光 LED 發(fā)展上的關(guān)鍵性作用。 

圖2. 有機(jī)分子、量子點(diǎn)、鈣鈦礦等發(fā)光材料及其實(shí)現(xiàn)WLED的器件結(jié)構(gòu)

因此，在本綜述中，我們將從上述發(fā)光材料出發(fā)，介紹其發(fā)光機(jī)理以及實(shí)現(xiàn)SEL-WLED的可行策略，如圖3所示：

1）紅綠藍(lán)等多種發(fā)光材料分布于同一主體材料中，調(diào)控主客體之間的載流子注入和復(fù)合，從而實(shí)現(xiàn)多顏色發(fā)光中心的共同電致發(fā)光，這一策略近些年來已在 OLED 中得到有效的驗(yàn)證；

2）紅綠藍(lán)等多種發(fā)光材料的直接混合，依靠能量傳遞，實(shí)現(xiàn)載流子在紅綠藍(lán)發(fā)光中心的均衡復(fù)合，目前量子點(diǎn)的 SEL-WLED 基本上采用這一策略；

3）設(shè)計(jì)具有紅綠藍(lán)等多個發(fā)光中心的單一材料是一種理想的策略，尤其是實(shí)現(xiàn)全可見光覆蓋的寬譜發(fā)光，這在模仿太陽光的健康照明應(yīng)用上具有巨大價值。

我們接下來將這些策略分別結(jié)合具體的研究案例進(jìn)行具體分析。

圖3. 有機(jī)分子、量子點(diǎn)、鈣鈦礦等發(fā)光材料及其實(shí)現(xiàn)WLED的器件結(jié)構(gòu)

三、SEL-WLED 典型案例

1）基于有機(jī)發(fā)光材料的 SEL-WOLEDs

在 OLED 體系中，將紅綠藍(lán)發(fā)光客體共摻雜于一個主體材料中，從而形成單一發(fā)光層，是 SEL-WOLEDs 的一個主要方向，非常多的研究集中于選取合適的主客體材料以及探究其間的載流子輸運(yùn)和激子復(fù)合發(fā)光的機(jī)理，這里我們總結(jié)了這方面工作的研究進(jìn)展和可行的策略，并且選取了一些代表性的研究成果，供大家參考：

1）開發(fā)主客體材料以及載流子輸運(yùn)調(diào)控策略，來實(shí)現(xiàn) SEL 中激子在紅綠藍(lán)等多個發(fā)光中心的均衡、有效的復(fù)合（Adv. Mater. 27, 7079–7085 (2015)；Mater. Horizons 2, 536–544 (2015)；Chem. Sci. 7, 896–904 (2016)；Adv. Mater. 32, 1–8 (2020)）；

2）有機(jī)分子聚合形成具有多顏色發(fā)光中心的聚合物發(fā)光材料，將紅綠藍(lán)等多種發(fā)光分子通過聚合的方式集成到同一個長鏈聚合物分子上，從而實(shí)現(xiàn)在單一聚合物中調(diào)控紅綠藍(lán)等多發(fā)光中心的可控分布（Adv. Funct. Mater. 15, 1647–1655 (2005)）；

3）設(shè)計(jì)并合成制備具有多顏色發(fā)光中心的有機(jī)材料，通過材料中的結(jié)構(gòu)調(diào)控實(shí)現(xiàn)寬光譜的電致發(fā)光（Adv. Mater. 31, 1900613 (2019)）。

2）基于量子點(diǎn)發(fā)光材料的 SEL-WQLEDs

量子點(diǎn)，因?yàn)槠漕w粒-溶液特性以及量子尺寸效應(yīng)，在多顏色共同發(fā)光形成白光 LED 上具有巨大的優(yōu)勢。不同顏色的量子點(diǎn)按照適當(dāng)?shù)谋壤旌希且环N實(shí)現(xiàn)在單一發(fā)光層中共同電致發(fā)光的策略（Nano Lett. 7, 2196–2200 (2007)；Adv. Mater. 26, 6387–6393 (2014)；Org. Electron. 88, 106021 (2021)）。

當(dāng)然，由于缺乏能量傳遞的調(diào)控，載流子在紅綠藍(lán)量子點(diǎn)上的注入難以均衡，導(dǎo)致器件的性能難以提升。這也成為 SEL-WQLEDs 發(fā)展可能的努力方向：能量傳遞機(jī)制研究以及載流子均衡有效分配調(diào)控策略的開發(fā)。

3）基于鈣鈦礦材料的 SEL-WPeLEDs

由于具有優(yōu)異的光電性質(zhì)，鈣鈦礦材料最近幾年發(fā)展迅速，不管是在以太陽能電池、光電探測器為代表應(yīng)用的光電轉(zhuǎn)換上，還是在電致發(fā)光LED器件上，都取得了耀眼的成就。在實(shí)現(xiàn) SEL-WLEDs 上，不僅有基于紅綠藍(lán)等單色光共同電致發(fā)光的探索（Adv. Mater. 29, 1–7 (2017)；Chem. Sci. 11, 11338–11343 (2020)）；也有基于新發(fā)光機(jī)理的單一鈣鈦礦材料的多中心共同發(fā)光研究，比如：

1）將具有多發(fā)光中心的稀土元素?fù)诫s到鈣鈦礦晶體中，形成同一材料中的主客體發(fā)光中心共存（ACS Energy Lett. 5, 2131–2139 (2020)）；

2）鈣鈦礦晶格畸變誘導(dǎo)產(chǎn)生自陷態(tài)激子發(fā)光，具有較大的斯托克位移，從而實(shí)現(xiàn)寬光譜的發(fā)光（Nature 563, 541–545 (2018)；Nat. Photonics 15, 238–244 (2021)；Nat. Mater. 20, 10–21 (2021)）。

這些新的發(fā)光現(xiàn)象，給 SEL-WLEDs 的發(fā)展注入了新的活力。考慮到鈣鈦礦材料的成本優(yōu)勢，以及單一材料寬譜發(fā)光的優(yōu)勢，我們認(rèn)為鈣鈦礦應(yīng)用于 SEL-WLEDs 具有巨大的潛力，值得更加深入的研究和探索。

四、多發(fā)光中心共存的發(fā)光材料應(yīng)用于 SEL-WLED

通過本綜述的調(diào)研和分析，我們提出：多發(fā)光中心共存的發(fā)光材料應(yīng)用于 SEL-WLEDs 是照明 WLED 技術(shù)發(fā)展的一個重要方向，具有光明的前景。

一方面，單一材料具有多顏色發(fā)光中心能夠簡化傳統(tǒng)紅綠藍(lán)混合 WLED 的制備流程，在材料成本上和工藝成本上都具有優(yōu)勢；

另一方面，單一材料實(shí)現(xiàn)全可見光范圍的寬譜發(fā)光，這能夠更加真實(shí)的模仿太陽光，能夠更加契合人類生理和心理需求，是實(shí)現(xiàn)人類健康照明的最佳選擇。

五、前景與挑戰(zhàn)

通過本文的綜述，可以發(fā)現(xiàn)，SEL-WLEDs 在制備工藝和成本上具有優(yōu)勢，因此在諸多研究方向上展現(xiàn)出巨大潛力：

1）仿生電光源，類太陽光健康照明；

2）微顯示主動光源；

3）可見光通信等智能穿戴技術(shù)。

然而在推動應(yīng)用的過程中，其光電性能的提升上還面臨著諸多問題，比如我們上述提到的基于單一材料發(fā)光的器件：

1）單一材料電致白光的發(fā)光效率還處在較低水平，開發(fā)相應(yīng)的光耦合輸出等外在調(diào)控策略、材料光電性能優(yōu)化等內(nèi)在調(diào)控策略，會是未來提升SEL-WLED光電性能的重要方向；

2）在照明應(yīng)用上，如何進(jìn)行有效、穩(wěn)定的光譜調(diào)節(jié)和類太陽光發(fā)光，相關(guān)研究還很少，還需要更多的努力和探索；

3）顯示應(yīng)用上，SEL-WLEDs 有望形成新的低成本顯示制造路線，然而如何基于單層發(fā)光層的紅綠藍(lán)純色發(fā)光滿足超高清顯示需求，面臨著巨大挑戰(zhàn)。

| 論文信息 |

Xiang et al. Light: Science & Applications (2021) 10:206

https://doi.org/10.1038/s41377-021-00640-4

監(jiān)制 | 趙陽

編輯 | 趙唯

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