近日國際研究團隊揭示了導致一類准二維鈣鈦礦發光效率低的機理，進而提出了解決方案，開發出基於該類材料的高效率綠光led燈珠。

  有機無機雜化鈣鈦礦因成本低、容易加工以及光電特性優異，受到了光電子研究領域的廣泛關註，基於該類材料的led燈珠也極具潛力成為下一代照明和顯示元件。其中，三維鈣鈦礦是由有機和無機組分在三維空間交替結合而成，二維鈣鈦礦是由兩種組分交替形成的片層結構，而准二維鈣鈦礦則是兩類鈣鈦礦的混合結構，即由大尺寸有機殼層包裹著不同尺寸的三維鈣鈦礦。由於准二維鈣鈦礦存在天然形成的量子阱結構，與傳統的三維鈣鈦礦相比具有更大的激子結合能，從而更有利於發光。盡管一些准二維鈣鈦礦led燈珠已達到較高電光轉換效率，但當採用不同有機組分時，一些綠光器件的效率很低的原因仍然未知。在該研究工作中，研究者通過國際合作獲得的大量相關實驗數據對該問題做出了回答。論文第一作者兼共同通訊聯繫人秦川江說：“目前多數研究者認為這類鈣鈦礦錶現出更多傳統無機半導體的特性，然而我們證明了准二維鈣鈦礦具有很多有機半導體的屬性，因此需要考慮到具有不同能量的激子行為。” 

  與典型的無機半導體不同，有機半導體在電致發光過程中首先形成激子態而後弛豫發光。由於電子的自旋特性，將會形成單線態和三線態兩種不同性質的激子。盡管調控單線態和三線態激子是設計和開發高效有機led燈珠的基礎，但在鈣鈦礦led燈珠的研究中卻仍未被考慮。在該研究中，研究者比較了兩類具有相似晶體性質，但含有不同有機組分的鈣鈦礦發光材料，發現其中一類鈣鈦礦材料中的三線態激子消失了。通過分析，這類鈣鈦礦中採用了具有低三線態能級的有機組分，其發光性能差的原因應是三線態激子轉移至能量較低的有機部分，造成非輻射能量損失。而當採用具有高三線態能級的有機組分時，三線態激子會保留在鈣鈦礦發光主體中，從而獲得高的發光效率。此外，研究者進一步發現在特定的准二維鈣鈦礦中，暗態三線態激子也能夠上轉換為輻射發光的單線態激子，使得在准二維鈣鈦礦器件中實現全部激子利用成為可能。 

左圖：紫外燈照射下強烈發光的鈣鈦礦薄膜；右圖：外加偏壓測試中發光的鈣鈦礦器件

  基於上述發現，研究團隊通過選擇合適的有機組分，制備了能夠高效俘獲三線態激子的准二維鈣鈦礦led燈珠，獲得了12.4%的電光轉換效率。“我們不僅解釋了之前觀察到的實驗現象，一些新發現也為開發高效鈣鈦礦光電器件，如led燈珠、激光和太陽能電池等提供了指引。”領導該研究的安達仟波矢說。