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南京理工大学科研团队在光学材料与器件研究上取得系列重要进展

发布:opticsOJ    |    2018-04-12 10:38    阅读:649
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近日,南京理工大学光电材料所暨新型显示工信部重点实验室曾海波团队,在钙钛矿光致发光与背光LED器件、钙钛矿电致发光及LED器件、微波吸收材料及柔性低频雷达隐身器件等光学材料与器件方面与合作者共同取得了一系列重要研究进展,分别在线发表于《先进功能材料》、《美国化学协会会刊》、《先进材料》等材料领域国际顶级学术期刊上。

当前显示领域正处于新老交替的变革中,其中的驱动力一方面来自于柔性显示需求,另一方面则来自于对显示清晰度越来越高的要求。当前的液晶显示技术主要采用蓝光二极管与绿光、红光、黄光等发光材料相结合的方案。为了在显示中真实地还原实物的色彩,实现较广的色域,这就要求红、绿、黄等荧光材料具有很高的色纯度,具体来说就是相应的发光光谱要有尽可能窄的半高宽。实际上,除了色纯度,还有一个经常被忽略但是至关重要的元素,那就是精准的红、绿、蓝三基色发光峰位,这对于显示色彩和人眼感知的效果极为关键。

在钙钛矿光致发光与背光LED器件研究方面,该团队在《先进功能材料》(Advanced Functional Materials,2018, DOI: 10.1002/adfm.201800248)上在线发表了题为“Room-Temperature Ion-Exchange-Mediated Self-Assembly toward Formamidinium Perovskite Nanoplates with Finely Tunable, Ultrapure Green Emissions for Achieving Rec. 2020 Displays”的文章,报道了室温离子交换组装法,实现了FAPbBr3纳米片绿色发光在Rec.2020国际标准要求的525-535nm波段的精细调控,实现了“最绿”的高效纯色发光,对超高清显示应用有一定意义。在该项工作中,作者提出了一种离子交换诱导二维钙钛矿自组装的合成机理。首先通过反溶剂辅助再沉淀的方式合成Ruddlesden-Popper型二维钙钛矿。以这些纳米片充当模板,通过可控阳离子交换反应将模板中的有机大离子取代成甲脒离子。重要的是,由于甲脒和有机大分子之间的尺寸差异,这种离子交换诱导自组装过程会造成一个约6倍的较大的c轴收缩,原则上可以将纳米片厚度调控的精度提高6倍,从而实现更加精准的绿色发光调控。因此,虽然通过再沉淀合成的二维钙钛矿模板具有一定的厚度分布,但转换成FAPbBr3纳米片之后该厚度分布会急剧缩小,从而抑制FAPbBr3纳米片发光光谱的尺寸宽化,既能提高发光纯度(半高宽),又能更加精准调控色调(峰位)。通过在一个较大的范围内简单调节二维钙钛矿模板的前驱体浓度,最终实现了FAPbBr3产物的荧光峰在525nm-535nm目标窗口内的精细调控,同时实现半高宽小于25nm以及高达85%的荧光效率。将FAPbBr3纳米片应用于背光显示后,作者实现了(0.170,0.757)的最优绿光色坐标,该色坐标覆盖了接近95%的Rec.2020绿光色域,是目前钙钛矿领域内最“绿”的背光型发光。该工作可能会推动基于钙钛矿纳米晶的低成本、广色域背光LED的产业化应用。

在钙钛矿电致发光及LED器件研究方面,该团队与中国科学技术大学姚宏斌(共同通讯作者)等课题组合作,在《美国化学协会会刊》(JACS,2018, DOI: 10.1021/jacs.7b11955)在线发表了题为“Ce3+-Doping to Modulate Photoluminescence Kinetics for Efficient CsPbBr3 Nanocrystals Based Light-Emitting Diodes”的论文,报道了通过热注入法掺杂Ce3+离子来提高CsPbBr3纳米晶的光/电致发光效率的研究工作。团队发现由于Ce3+离子的离子半径与Pb2+离子相近,并且与溴离子轨道叠加形成的导带能级相比于CsPbBr3本征的能级更高,因此Ce3+离子能够掺杂到CsPbBr3纳米晶中,并保持钙钛矿结构的完整性且不会引入额外的陷阱态。基于此,将CsPbBr3纳米晶中Ce3+的掺杂量提高到2.88%时,CsPbBr3纳米晶的光致发光量子产率(PLQY)达到89%,超快瞬态吸收(fs-TA)和时间分辨光致发光(PL)光谱显示Ce3+掺杂可以有效调制CsPbBr3纳米晶的发光动力学,进而提高纳米晶的PLQY。同时,采用掺杂Ce3+的CsPbBr3纳米晶作为发光层制备的LED器件,与未掺杂的CsPbBr3纳米晶相比,器件的外量子效率(EQE)从1.6%提高到了4.4%。该工作可能会推动基于钙钛矿纳米晶的电驱动高清柔性显示应用的发展。

在微波吸收材料及柔性低频雷达隐身器件研究方面,该团队与南京航空航天大学姬广斌(共同通讯作者)等课题组合作,在《先进材料》(Advanced Materials,2018, DOI: 10.1002/adfm.201800248)在线发表了题为“A Voltage-Boosting Strategy Enabling a Low-Frequency, Flexible Electromagnetic Wave Absorption Device”的论文,报道了以高效电可调SnS/SnO2@C作为吸收层的柔性低频雷达隐身器件的研究工作。该研究团队借助电磁计算,发现受制于新濠天地平台本征介电属性,ε'值的提升必然会伴随ε''的增大。为解决此难题,该团队设计了一种具有三明治结构的柔性低频雷达隐身器件,内层选用高效电可调SnS/SnO2@C作为吸收层,外层选用超薄碳膜作为电子传输通道。研究结果表明,在施加一定电压时,该柔性电子器件的介电实部和虚部随着电压的增大而增加,18 V时介电实部和虚部均可控制在理想区间,雷达反射损耗值在整个1.5-2.0 GHz均低于-5 dB。耐温测试表明该柔性电子器件在150℃时,低频微波吸收仍能有效覆盖。

来源:南京理工大学

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