近日，中国科学技术大学姚宏斌课题组基于新型铜碘杂化团簇，构筑出低成本、高效率、高亮度暖白光发光二极管(LED)器件。得益于所设计的铜碘杂化团簇具备的高构型熵、高发光效率和宽光谱发射等特性，研究实现了高效暖白光LED器件无掺杂、低成本、大面积的溶液法涂布制备，这是非铅金属卤化物LED领域的新突破。相关研究成果以High efficiency warm-white light-emitting diodes based on copper–iodide clusters为题，发表在《自然-光子学》(Nature Photonics)上。
如今LED照明技术和产业取得了发展。其中，溶液法涂布制备的LED器件因制造工艺简单和可操作性强，被认为是实现下一代大面积固态照明的低成本技术路线。目前，基于铅卤化物钙钛矿材料、有机半导体材料以及各种胶体核壳量子点材料的溶液法LED器件，逐步实现了较高的电致发光性能。然而，铅卤化物钙钛矿和CdSe量子点等含有重金属材料具备一定的生物毒性因而面临着严峻的环境问题；基于低毒金属元素的有机发光分子，InP量子点以及ZnSe量子点等材料的溶液法LED器件由于材料合成制备工艺复杂，生产成本较高，使得其在大规模制造方面仍面临较多问题。因此，制备和开发价格低廉、环境低毒且易规模化生产的高效发光材料并实现高效溶液法LED器件是发展低成本固态照明的关键挑战。
鉴于此，课题组基于铜碘杂化团簇体系，设计和制备了一类可用于溶液加工的宽光谱发射杂化团簇并构建了高性能暖白光LED器件(图1)。研究通过同时引入氮膦螯合配体和高自由度的含膦增溶配体对铜碘团簇进行修饰，得到了兼具高发光效率和高溶解度的铜碘杂化团簇。该团簇在LED器件制备所使用的交叉溶剂N,N-二甲基甲酰胺(DMF)中表现出超过200mg/mL的高溶解度和良好的结构稳定性。使用铜碘团簇/DMF溶液进行旋涂制备得到的发光薄膜具有0.22 nm的低表面粗糙度和超过70%的高发光量子产率，将其直接作为发光层，能够通过正交溶剂路线制备低成本的暖白光LED器件。研究所得器件最大外量子效率达到19.1%，亮度超过40000 cd m-2，且工作寿命超过232小时(T50@100 cd m-2)。同时，得益于团簇良好的溶液加工性能，研究通过大规模刮涂技术，构筑了工作面积为36 cm2的大尺寸溶液法LED器件。该器件展现出亮度接近60000 cd m-2的暖白光发射(图2)。此外，通过在氮膦螯合配体的氮杂环上修饰不同的供电子基团，课题组展示了一系列发光颜色可调的溶液法LED器件(图3)。该工作实现了基于铜碘杂化团簇材料的高效、高亮度暖白光LED器件的构筑。铜碘杂化团簇材料体系所具备的结构可拓展性以及光谱可调节性使其在低成本高性能LED面板等固态照明技术中展现出潜力。
研究工作得到国家杰出青年科学基金、中国科学院战略性先导科技专项、稀土资源利用国家重点实验室开放基金、中国科大原创探索项目、中国科大“双一流”专项基金的支持。
图1. 高效暖白光溶液法LED器件的构筑
图2. 刮涂法制备大面积暖白光LED器件
图3. 光谱可调的溶液法LED器件
