新突破！郑州大学实现环境友好型黄光LED |前沿用户报道
供稿：马壮壮
编辑：chen
新型金属卤化物钙钛矿材料具有荧光量子产率高、发射光谱可调、色域覆盖范围广，以及发光纯度高等优异的光学性能，在照明和高性能显示等领域具有广阔的应用前景，并有望应用于大尺寸超清显示和照明等领域。
以往报道的钙钛矿led，尽管具有较大优势，也存在两大问题。一方面，发光层多采用含有重金属铅卤化物钙钛矿，而铅离子的毒性不可避免地会对人体和环境带来较大危害，并限制其未来大规模产业化的应用。另一方面，这些材料开发出的钙钛矿led器件工作稳定性较差，尤其是黄光波段的钙钛矿led长时间工作方面面临巨大的挑战。
为克服这两大困难，近期，郑州大学史志锋团队采取利用一种新材料作为发光层，实现了电驱动的黄光led，且同时克服了铅毒性和运行不稳定这两大缺点，本次“前沿用户报道”栏目就将带你走进史教授团队的研究工作。
铜基卤化物，
发光层材料的潜力股
要想获得高性能的发光二管，重要的是选择和制备发光层，这关系到发光二管的发光效率、工作稳定性等各方面的性能。
开篇我们已经提到，在以往的钙钛矿黄光led报道中，通常使用铅卤混合钙钛矿作为发光层，毒性问题和稳定性都不尽如人意。那么，有没有一种材料能够同时解决这两个问题呢？
图片来源：pixabay
铜基卤化物就是这种性能优异的化合物，它兼具无毒、稳定两种优势特性，采用这种材料作为发光层，理论上就可以实现环保绿色且工作稳定发光器件的制备，具有非常重要的科学意义和应用前景。
为此，课题组从材料合成到器件制备展开了详细的探索研究。
高稳定、高效率，
这个薄膜材料有点牛
要制备高性能led，步工作便是制备出基于铜基卤化物薄膜的发光层。史教授团队采用低温反溶剂法制备出无毒的黄光铜基卤化物薄膜（cscu2i3），在制备过程中发现，该无铅钙钛矿薄膜具有良好的结晶质量，这无疑增加了他们对该材料能够用于制备高性能led器件的信心。
接下来，他们对这一发光层展开系列表征。
（左）led器件的示意图
（右）led的发光实物图和cscu2i3薄膜的发光照片
1、发光性能表征
研究人员先对薄膜进行了光学特性分析，主要使用horiba fluorolog-3荧光光谱仪对稳态荧光光谱、荧光量子产率和瞬态荧光光谱进行了检测。结论发现该薄膜具有明亮的荧光发射特性，且发光峰位也在黄光发射区，可以用来制备黄光led。
此外，后续较高的荧光量子产率和较长的荧光寿命等光学特性的分析，也充分证明了该薄膜具有高效的发光效率，性质非常优异。
无铅cscu2i3薄膜的光学特性表征
图a为薄膜制备示意图及其在紫光灯下的发光照片，能够看出该薄膜具有明亮的荧光发射特性；
图b为薄膜的稳态荧光光谱和吸收谱，我们发现薄膜的发光峰在550 nm，属于黄光发射区，可见其能够用来制备黄光led；
图c为薄膜的荧光量子产率测试，薄膜的荧光量子产率高达20.6%，这是无铅体系黄光波段发光效率的高值；
图d为薄膜的瞬态荧光光谱的表征，长的荧光寿命证明了薄膜具有高效的发光效率。
2、稳定性表征
该课题组继续使用horiba fluorolog-3荧光光谱仪，对材料的热稳定性、空气储存稳定性进行测试。结果发现，无论是持续加热，还是在空气中长时间放置，该器件的荧光强度均变化不大。
这些光谱分析都表明该材料具有优异的稳定性，可以作为发光层构建高稳定的led。
无铅cscu2i3薄膜的热稳定性（a, b）
和空气稳定性（c, d）测试
图a显示了薄膜在不同加热温度下的荧光强度变化，可以看到恢复到室温后，荧光强度仍然可以维持原来的93%左右；
图b为薄膜在60o c持续加热的荧光光谱，在持续加热300分钟后，光谱的形状和峰位置几乎没有发生变化；
图c和d为薄膜的空气稳定性测试，可以看出薄膜在空气中储存100天后，荧光强度几乎没有发生变化。
综合上述两部分表征，已经证明了cscu2i3薄膜具有高效的发光效率和优异的稳定性，这也为他们后续制备高性能的led打下基础。
新型黄光led性能太优异
史教授团队将cscu2i3薄膜作为发光层，进一步制备出基于无铅铜基卤化物薄膜的电致发光led。
图片来源：pixabay
这一黄光led发光器件的性能究竟能否投入应用呢？史教授团队继续对制备的led器件展开了稳定性测试，以证明该器件可以在大气环境下工作。
从下图b我们可以看到，将具有高发光效率和高稳定性的cscu2i3薄膜作为发光层，制备出的电驱动led器件，其发光峰位于550 nm，与材料的荧光光谱相对应（图b）。这意味着高效的黄光led已经成功实现。
基于cscu2i3薄膜的led制备：
（a）器件示意图（b）器件的发光光谱；（c）实物图
下图d为器件在空气环境下的长时间工作的稳定性测试，我们可以看到，器件在大气环境下可以持续工作，即使在高温60oc条件下，器件的工作寿命仍然可以达到2.2小时。种种结果都表明，该器件具有优异的长时间工作稳定性。
（d）基于cscu2i3薄膜的led器件稳定性测试
综合以上研究，史教授团队制备的黄光led发光器件，表现出了明亮的发射和出色的工作稳定性。不仅如此，该研究成果实现了兼具环保无毒和工作稳定的低成本钙钛矿黄光led，为新型、廉价、高效、稳定的黄光led设计与制备提供了新的思路，具有非常重要的科学意义。
郑州大学史志锋团队一直致力于解决钙钛矿发光器件中存在的效率、毒性和稳定性问题。此项研究成果提供了一种全新的思路来获得环保无毒和稳定的钙钛矿led，未来随着对材料理解的深入及工艺技术的进步，有望进一步提高钙钛矿发光器件的效率和稳定性，推进其产业化的进程。在不远的将来，钙钛矿led将会以其优异的性能和稳定的工作成为新一代照明与显示领域的有力竞争者，在未来照明与显示产业中占有重要地位。
在该工作中大量重要的光谱表征是通过fluorolog-3荧光光谱仪实现，该荧光光谱仪具有重现性好，测量分析速度快，操作简单等优点，能够满足样品的光学表征方面的基本测试。尤其是在荧光量子产率测试及其分析方面，高灵敏（snr16000：1）和超宽检测范围（200-1700nm可选）的特点，确保了实验结果的准确性。
团队介绍&论文原文
这一成果近期以郑州大学为单位，发表于期刊《acs nano》（影响因子：13.903）。文章的作者是郑州大学博士生马壮壮，通讯作者为郑州大学史志锋副教授和单崇新教授，以及吉林大学张立军教授。该工作得到了自然科学基金、中原千人计划-中原青年拔尖人才以及河南省高校科技创新人才计划等项目的支持。
文章标题：stable yellow light-emitting devices based on ternary copper halides with broadband emissive self-trapped excitons
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为克服这两大困难，近期，郑州大学史志锋团队采取利用一种新材料作为发光层，实现了电驱动的黄光led，且同时克服了铅毒性和运行不稳定这两大缺点，本次“前沿用户报道”栏目就将带你走进史教授团队的研究工作。
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此外，后续较高的荧光量子产率和较长的荧光寿命等光学特性的分析，也充分证明了该薄膜具有高效的发光效率，性质非常优异。
无铅cscu2i3薄膜的光学特性表征
图a为薄膜制备示意图及其在紫光灯下的发光照片，能够看出该薄膜具有明亮的荧光发射特性；
图b为薄膜的稳态荧光光谱和吸收谱，我们发现薄膜的发光峰在550 nm，属于黄光发射区，可见其能够用来制备黄光led；
图c为薄膜的荧光量子产率测试，薄膜的荧光量子产率高达20.6%，这是无铅体系黄光波段发光效率的高值；
图d为薄膜的瞬态荧光光谱的表征，长的荧光寿命证明了薄膜具有高效的发光效率。
2、稳定性表征
该课题组继续使用horiba fluorolog-3荧光光谱仪，对材料的热稳定性、空气储存稳定性进行测试。结果发现，无论是持续加热，还是在空气中长时间放置，该器件的荧光强度均变化不大。
这些光谱分析都表明该材料具有优异的稳定性，可以作为发光层构建高稳定的led。
无铅cscu2i3薄膜的热稳定性（a, b）
和空气稳定性（c, d）测试
图a显示了薄膜在不同加热温度下的荧光强度变化，可以看到恢复到室温后，荧光强度仍然可以维持原来的93%左右；
图b为薄膜在60o c持续加热的荧光光谱，在持续加热300分钟后，光谱的形状和峰位置几乎没有发生变化；
图c和d为薄膜的空气稳定性测试，可以看出薄膜在空气中储存100天后，荧光强度几乎没有发生变化。
综合上述两部分表征，已经证明了cscu2i3薄膜具有高效的发光效率和优异的稳定性，这也为他们后续制备高性能的led打下基础。
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（d）基于cscu2i3薄膜的led器件稳定性测试
综合以上研究，史教授团队制备的黄光led发光器件，表现出了明亮的发射和出色的工作稳定性。不仅如此，该研究成果实现了兼具环保无毒和工作稳定的低成本钙钛矿黄光led，为新型、廉价、高效、稳定的黄光led设计与制备提供了新的思路，具有非常重要的科学意义。
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