科學研究 - 中日法合作將鈣鈦礦發光二極體發光效率提高4倍，加速新一代顯示裝置開發

日本九州大學最先端有機光電子研究中心的教授安達千波矢、九州大學碳中和能源國際研究所的副教授松島敏則、長春應用化學研究所的教授秦川江、京都大學化學研究所、中國科學院、法國索邦大學及法國國家科學研究中心-斯特拉斯堡大學（CNRS-Université de Strasbourg）合作，透過選用合適的有機材料，成功地將準二維鈣鈦礦LED的發光效率提高到了原來的4倍左右。

鈣鈦礦薄膜製作簡單，而且能實施色純度較高的發光。因此，鈣鈦礦LED有望用於低成本、高色純度的新一代顯示裝置。採用此次的方法，可以大幅提高鈣鈦礦LED的發光效率，將給顯示裝置行業帶來巨大的衝擊。另外，利用該方法還有望提高鈣鈦礦的雷射振盪特性，能爲醫療和通訊領域做貢獻。

相關研究成果已於2019年11月12日發佈在《自然-光量子學》（Nature Photonics）期刊的網路版上。

＜研究概要＞

作爲LED發光材料使用的準二維鈣鈦礦由金屬鹵素和有機胺構成。電子和電洞在準二維鈣鈦礦中重新結合後，會以1:3的比例形成單重激發態和三重激發態。準二維鈣鈦礦的有機胺採用萘胺時，準二維鈣鈦礦中形成的三重激發態能量會向萘胺行程並消失。這是因爲萘胺的三重激發態能階低於準二維鈣鈦礦的三重激發態能階。因此，參與發光的只是以1/4比例形成的單重激發態。

不過，有機胺採用苯胺時，能量不會向具備高三重激發態能階的苯胺行程，因此準二維鈣鈦礦的三重激發態能量可以用於發光。本次研究查清了三重激發態的物理性質，明確了其重要性。

圖1a是準二維鈣鈦礦的結構。本次研究採用的鈣鈦礦LED的結構爲透明陽極/有機電洞傳輸層/準二維鈣鈦礦發光層/有機電子傳輸層/金屬陰極（b）。向準二維鈣鈦礦照射紫外線的話，僅形成單重激發態，會發出明亮的光（c）。但LED結構的發光機制不同。鈣鈦礦LED隨着載流子的復合，會以1:3的比例形成單重激發態和三重激發態（d）。

圖1：準二維鈣鈦礦的結構

通常無法觀測到三重激發態的發光。在鈣鈦礦中，單重激發態和三重激發態的能隙較小（＜20meV），因此這些態之間容易發生行程。三重激發態轉變爲單重激發態後，可以透過單重激發態觀測到高效發光。準二維鈣鈦礦的有機胺如果採用萘胺，在轉變爲單重激發態之前，三重激發態就會消失。本次研究發現，如果採用三重激發態不會消失的苯胺，則鈣鈦礦LED的發光效率能提高至原來的4倍左右。