由京都大學和九州大學的研究人員組成的聯合研究團隊成功揭示了某類低成本材料發光效率低的終極因數，並據此制定了相應策略來提高其發光效率，並且證明，由該材料製成的器件能夠非常高效地發射出綠光。
圖 低成本鈣鈦礦薄膜經溶液處理後在紫外線燈激發下表現出輝度很高的綠色光發射（左）。利用單重態和三重態激子的準二維鈣鈦礦發光二極體發射出綠光（右）。 （圖片由九州大學/足立實驗室提供）
準二維鈣鈦礦發光材料對於電子器件應用來說極具吸引力，因爲它們由廉價的原料製成，製作工藝十分簡單，並且有着應用範圍廣泛的優良電學和光學性能。由這種鈣鈦礦材料製成的發光二極體（LED）在下一代照明和顯示裝置應用中有着廣闊的前景。該鈣鈦礦發光材料由有機分子和無機成分組成，二者共同構成了獨特的晶體結構，稱爲鈣鈦礦結構。三維鈣鈦礦由在三個方向上相互交替的有機和無機成分結合而成，而在二維鈣鈦礦中，這兩類成分會形成交錯的薄片。準二維鈣鈦礦則是三維和二維鈣鈦礦結構兩者的組合，其中三維鈣鈦礦區域夾在有機薄片之間。儘管鈣鈦礦型LED的研究已經取得了較大進展，但目前尚不清楚由不同有機成分構成的器件在綠色光發射效率上爲何存在着如此巨大的差異。對此，京都大學化學研究所的金光義彥以及九州大學和長春應用化學研究所的研究人員表示，這一問題已經在他們最近發表在《自然光量子學》上發表的論文中得到了解答。
「雖然很多研究人員把鈣鈦礦當作傳統型無機半導體來處理，但我們證明，準二維的鈣鈦礦其實在很多方面更像是有機半導體，因爲在處理該材料時激子中不同形式的能量也須考慮進來，」 該研究的第一作者Qin Chuanjiang解釋道。與典型的無機半導體不同，有機物質中的電荷在發射光量子前會復合形成一種稱爲激子的能態。電荷的特徵差異，也即自旋，導致了兩種不同性質激子的形成，即單重態和三重態。單重態和三重態激子的調控對於高效有機LED的設計至關重要，然而對於鈣鈦礦型LED來說，該相關方面的討論卻相當少。透過對比具有相似晶體特徵但有機成分不同的兩種鈣鈦礦，研究人員發現三重態的能量正在流失。當鈣鈦礦中含有能使三重態保持在低能量狀態的有機物質時，發光效果將變得極弱，這是因爲三重態激子（通常會向更低能量的方向行程）會轉移到有機物質中而流失。轉換爲具有更高三重態能量的有機物質會使三重態保留在發光器件中，而非轉移到有機物質中。此外，研究人員證明，在具有適當有機成分的準二維鈣鈦礦中，不會發射光量子的三重態可以轉換爲發光的單重態，這意味着所有電能產生的激子都可以被收集。
該團隊透過選取適當的有機成分，將這些發現轉換成了實際應用，製造了可以有效收集三重態激子的準二維鈣鈦礦LED，實施了超高量子轉化效率（指電荷對轉換爲光量子的效率，此處爲12.4％）的綠色光輸出。「這些新發現不僅可以解釋先前觀察到的結果，而且還將爲開發高性能光電鈣鈦礦器件（例如LED，雷射和太陽能電池）提供獨到的見解及理論指導。」 領導該研究工作的安達千波矢表示。
中文：JST客觀日本編輯部
