南京大學在高效穩(wěn)定白光LED研究領域獲重要進展

藍光發(fā)光二極管（LED）的發(fā)明，推動了當代照明和顯示產業(yè)的發(fā)展，被授予2014年諾貝爾物理學獎。享有“第四代照明光源”美譽的固體白光LED，與傳統(tǒng)白熾燈、熒光燈和高壓氣體放電燈相比，具有光效高、節(jié)能環(huán)保、壽命超長和安全可靠等優(yōu)點，被認為是21世紀新一代的環(huán)保節(jié)能光源。

然而，目前實現白光LED照明的主要途徑是利用藍光LED對稀土發(fā)光材料進行熒光激發(fā)，紅綠藍混光后產生白光。稀土發(fā)光材料具有5d-4f及4f-4f光譜特性，由于其光吸收截面小，摩爾消光系數小，在白光照明和顯示背光應用中往往帶來“藍光溢出”的問題，造成廣大消費者，特別是青少年的嚴重近視和眼底黃斑病變，這引起了全社會的廣泛關注。

近年來，鉛鹵鈣鈦礦作為一種新型發(fā)光材料，擁有熒光光譜可調、半峰寬度窄、熒光量子產率高、缺陷容忍度高，及液相合成簡單低成本等特性，在太陽能電池、發(fā)光二極管和顯示器件等應用領域具有巨大潛力。

但其離子特性（遇到光、熱、水、氧分解）和鉛的毒性，限制了其實際應用。因此，尋找一種能實際應用于LED的環(huán)保、穩(wěn)定、高效的鈣鈦礦材料意義非常。南京大學現代工程與應用科學學院鄧正濤教授團隊多年來一直致力于新型無機發(fā)光材料的基礎研究和產業(yè)化應用。

特別是在白光LED和廣色域顯示器件方向，針對發(fā)光材料在實際應用中的瓶頸問題，在發(fā)光材料的性能提升和穩(wěn)定性方面取得了一系列進展，如：Angew. Chem.， Int. Ed. 2020， 59， 7738;Mater. Adv. 2021， 2， 1320;Chem.Commun.2021，DOI:10.1039/D0CC08253H;J.Mater.Chem.C 2021 DIO： 10.1039/D0TC05685E。

最近，該課題組采用一種室溫快速結晶的方法，制備了具有高光致發(fā)光量子效率和高穩(wěn)定性的無鉛錳鹵化物鈣鈦礦材料，并應用于白光LED器件。

《Advanced Functional Materials》論文截圖和TOC示意圖（圖片來源：南京大學）

該團隊采用一種室溫快速液相合成方法，大規(guī)模制備了兩種有機無機雜化無鉛吡啶錳鹵化物鈣鈦礦。該四面體配位的（C5H6N）2MnBr4發(fā)射峰位在521 nm， 具有高達95%的熒光量子產率、窄半峰寬和優(yōu)異的穩(wěn)定性，而八面體配位的C5H6NMnCl3表現為648 nm的紅光發(fā)射，量子產率為40%。

相比于全無機的CsPbX3 （X=Cl， Br）鈣鈦礦，其不穩(wěn)定性和毒性都得到了有效解決。通過環(huán)境穩(wěn)定性測試，紫外光老化測試和熱穩(wěn)定性測試，吡啶錳鹵化物鈣鈦礦仍然保持良好的性能。將綠光發(fā)射的（C5H6N）2MnBr4熒光粉與紅光發(fā)射的K2SiF6:Mn4+ 熒光粉混合后制備的白光LED器件在驅動電流為20mA時，相關參數為光效93.9 lm/W。

該白光LED在大氣環(huán)境中經過410 min持續(xù)工作測試發(fā)射強度沒有出現衰減現象，表現出優(yōu)異的器件穩(wěn)定性。

調節(jié)（C5H6N）2MnBr4和C5H6NMnCl3熒光粉比例可以得到一系列色坐標連續(xù)可調的暖白光LED，同時將其應用于背光顯示后，實現了色坐標接近104%的NTSC 1931色域覆蓋率。該工作將推動基于新型發(fā)光鈣鈦礦材料的低成本LED照明和背光顯示的產業(yè)化應用。

相關成果于2021年3月2日以“Stable and Bright Pyridine Manganese Halides for Efficient White Light-Emitting Diodes”為題在國際知名材料學期刊《Advanced Functional Materials》雜志（影響因子：16.836）上在線發(fā)表。

南京大學現代工程與應用科學學院為論文第一單位；本文通訊作者為現代工程與應用科學學院的鄧正濤教授；所指導的博士生胡光才為本論文第一作者。

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