鈣鈦礦發光二極體（鈣鈦礦LED）是在顯示、照明、通訊等領域極具潛力的新發光技術。鈣鈦礦LED生產成本低，且技術優勢顯著：具與OLED類似的輕薄、可撓性等特點，也有與III-V族半導體LED相似的色純度與光譜可調性。僅經過短短數年發展，鈣鈦礦LED效率就可與成熟發光技術媲美。

然與鈣鈦礦太陽能電池類似，鈣鈦礦LED的不穩定性是應用最大挑戰。目前高性能鈣鈦礦LED壽命約10~100小時。OLED技術步入產業化所需的壽命至少為1萬小時，面臨重大挑戰，因鈣鈦礦半導體可能本徵不穩定：晶體結構有顯著離子特性，離子LED外加電場作用下容易移動，造成材料降解。

最近中國浙江大學光電學院現代光學儀器國家重點實驗室、海寧國際校區先進光子學國際研究中心的狄大衛教授與趙保丹研究員團隊取得重要突破。利用雙極性分子穩定劑，在鈣鈦礦LED達成實際應用需要的超長工作壽命。

通訊作者是狄大衛教授與趙保丹研究員，第一作者是浙江大學碩士生郭兵兵。合作者包括廈門大學李澄教授團隊、浙江大學洪子健教授團隊、南京航空航太大學李偉偉教授團隊等。研究論文〈Ultrastable near-infrared perovskite light-emitting diodes〉8月8日發表於《Nature Photonics》期刊（Guo et al， Nat. Photon. （2022）, doi:10.1038/s41566-022-01046-3）。

左上為鈣鈦礦LED器件結構，左下為雙極性分子穩定劑SFB10化學式。右表為器件T50壽命與輻亮度的關係。

「這些鈣鈦礦LED在5mA/c㎡恆定電流驅動下，連續5個月（3,600小時）亮度沒有下降。這非常令人振奮，超越我們對鈣鈦礦LED的認知。這些元件非常穩定，仍在進行的測試看來難在一年甚至更久後結束。為了在較合理的實驗週期內取得壽命數據，需要LED加速老化實驗。」狄大衛說。

近紅外鈣鈦礦LED展現出超長壽命。如初始輻亮度為2.1 W sr-1 m-2 （電流為3.2mA/c㎡），估算器件T50壽命（最初輻亮度降到50%所需時間）為32,675小時（3.7年）。這輻亮度的光功率，與1000cd/m2高亮度工作時商用綠光OLED相當。0.21 W sr-1 m-2較低輻亮度（上述亮度10%）或0.7mAc㎡電流下，推算得到T50壽命為240萬小時（約270年）。

左為鈣鈦礦LED的長時間工作與加速老化實驗，右為對照組與穩定後器件的外量子效率數據。

「我們認為對這種新型LED進行可靠壽命分析很有必要，我們在加速老化實驗採集62個器件壽命數據點，涵蓋10~200mA/c㎡盡可能廣的電流密度範圍。」郭兵兵說。器件電致發光外量子效率（EQE）與能量轉化效率（ECE）分別達22.8%和20.7%，是目前近紅外鈣鈦礦LED最高效率。

作者發現這些鈣鈦礦發光材料有非常穩定的晶體結構。 材料的晶體結構經過322天以上也沒有發生改變“，趙保丹說，”這說明雙極性分子穩定劑説明鈣鈦礦維持了它最初的、具有優良光電性能的晶相。 作為對比，未經處理的對照組鈣鈦礦樣品的晶體結構在兩周內產生顯著變化併發生降解。 ”

鈣鈦礦樣品結構與化學分析。

鈣鈦礦離子遷移是導致不穩定的重要原因，在LED外加電壓影響下更嚴重。「實驗與計算表明，雙極性分子與鈣鈦礦晶界處的離子產生化學鍵或相互作用。這可能是我們鈣鈦礦離子遷移變困難的原因。」郭兵兵說。「我們與合作者的電學與光學實驗，都表明離子移動現象抑制。」趙保丹補充。

顯微螢光成像實驗觀察鈣鈦礦在電場下的離子遷移效應。

器件壽命結果證明，鈣鈦礦材料穩定性並沒有基因缺陷。「金屬鹵化物鈣鈦礦這類新型半導體，廣泛認為本徵不穩定，特別LED應用等電場較高的情況下。研究結果證明，穩定鈣鈦礦器件並非不可能的任務。」狄大衛說

超長的元件壽命有望提振鈣鈦礦LED領域的信心，因滿足商用OLED對穩定性的基本要求。近紅外LED可用於近紅外顯示、通訊與生物等應用，雖然有類似長壽命的可見光鈣鈦礦器件有待開發，但超穩定鈣鈦礦LED為鈣鈦礦發光技術進入產業應用鋪平道路。（文章來源：浙大融媒體中心；圖片來源：論文）

• Ultrastable near-infrared perovskite light-emitting diodes