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南科大孫小衛(wèi)教授�(tuán)�(duì)在Nature Nanotechnology�(fā)文評述文�–理解PeLED/QLED的取光問�

編輯� 2024-08-06 13:54:41 瀏覽�1375  來源�

目前,在鈣鈦礦發(fā)光二極管(PeLED)和量子�(diǎn)�(fā)光二級管(QLED)研究中存在一�(gè)困惑,即近期�(fā)表的前沿研究已經(jīng)�(yuǎn)�(yuǎn)突破了Ray optics的取光效率極限。主流解釋認(rèn)為是光子回收顯著提升了取光效率,甚至有觀�(diǎn)�(rèn)為利用光子回收可�(shí)�(xiàn)100%的取光效率�

近日,南方科技大學(xué)納米科學(xué)與應(yīng)用研究院�(zhí)行院長、電子與電氣工程系教授孫小衛(wèi)及其�(tuán)�(duì)、南科大電子系教授王愷在國際�(xué)�(shù)期刊Nature Nanotechnology�(fā)表題�“Competing light extraction strategies in perovskite light-emitting diodes”的文章�

該文以PeLED為例明確闡述了理論極限突破的原因,并否定了當(dāng)前過度夸大的光子回收效果�由于PeLED�(nèi)存在顯著的光子回收和微腔效應(yīng),不�(yīng)繼續(xù)使用Ray optics模型評估取光效率,否則會�(yán)重高估的�(nèi)量子效率。而針對光子回收能夠帶來極高效率的觀�(diǎn),文章指出光子回收策略在�(shí)踐中反而可能降低效率。因?yàn)樵摬呗誀奚宋⑶恍?yīng),而微腔效�(yīng)恰恰是PeLED高效率的主要原因之一。該工作首次明確提出光子回收跟微腔效�(yīng)存在競爭�(guān)系,為PeLED取光效率�(yōu)化指明了道路,防止后�(xù)研究陷入誤區(qū)。由于量子點(diǎn)和鈣鈦礦材料類似,相比有�(jī)材料都有較大的折射率,此研究的結(jié)論也適用于QLED�

�1 (a) 光子回收策略� (b) 微腔策略的流程圖,顯示了各種效應(yīng)的相互關(guān)系�

 

由于鈣鈦礦材料斯托克斯位移較小,PeLED�(nèi)部存在再吸收和再�(fā)射現(xiàn)象,該現(xiàn)象使得被局限在波導(dǎo)模和基底的光子有�(jī)會被重新提取到外部,從而增�(qiáng)效率,這�(gè)過程稱為光子回收。光子回收潛在的效率增強(qiáng)作用為目前高效率的PeLED提供了理論支持。在此背景下�孫小�(wèi)�(tuán)�(duì)�(rèn)為光子回收并不能成為普遍的解釋,并提出光子回收跟微腔效應(yīng)存在競爭�(guān)系�

在如�1a所示的光子回收流程,每一輪回收中LEE獲得累加,但同時(shí)能量也會被重新分配到非輻射復(fù)合和寄生吸收,從而放大損耗。例如圖2d中的案例,當(dāng)�(nèi)量子效率(IQE)下�10%,效率就會衰減到原來的一半。另言之,光子回收策略對損耗非常敏感,想要通過增強(qiáng)光子回收來提升效率,需要同�(shí)滿足小斯托克斯位移、低寄生吸收、近100%的內(nèi)量子效率。然而這些完美條件在現(xiàn)�(shí)中難以實(shí)�(xiàn)�因此光子回收方案在實(shí)踐中并不一定能帶來有效增益�

�2 (a) �(fā)光層厚度跟再吸收率的�(guān)� (b) 光子回收對效率提升的作用 (c) 寄生吸收對光子回收的影響 (d) �(nèi)量子效率和寄生吸收對光子回收的影� (e-f) 弱微腔和�(qiáng)微腔中效率的�(yōu)� (g) 微腔中的不同方向的偶極子的珀塞爾系數(shù)分離,對外耦合效率和內(nèi)量子效率都有提升作用�

 

由于鈣鈦礦層的折射率往往比OLED中的有機(jī)�(fā)光材料更高,具有更強(qiáng)的微腔效�(yīng),仿真結(jié)果(�2ef)表明PeLED中外耦合效率�(yán)重依賴于微腔效應(yīng)。基于增�(qiáng)的微腔效�(yīng),效率可以達(dá)�50%以上。然而在光子回收策略中增加發(fā)光層厚度會抑制微腔的形成(圖1b),�(dǎo)致微腔效�(yīng)和珀賽爾效應(yīng)的衰減,不利于效率的提升�

 

綜上,光子回收策略和微腔策略之間存在競爭作用。光子回收需要滿足嚴(yán)格的前提條件才能有效地貢�(xiàn)光子,且在此過程中會犧牲微腔效應(yīng)。因此光子回收策略在�(shí)踐中并不能保證效率提升,甚至可能降低效率。在大部分情況下�(yīng)�(yōu)先考慮微腔效應(yīng)�PeLED想要獲得效率突破,應(yīng)�(dāng)需要根�(jù)材料和器件的特性選擇匹配的取光策略�該研究指明了PeLED效率突破方向�

 

該研究工作第一作者為南方科技大學(xué)梅冠鼎博士,孫小�(wèi)教授為唯一通訊作者,南方科技大學(xué)為唯一通訊單位。該研究工作得到了國家科技部、國家自然科�(xué)基金的支持�

 

論文鏈接�

https://www.nature.com/articles/s41565-024-01709-y

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