撰稿 | 相恒陽

說明 | 本文來自論文作者（課題組）投稿

· 作者薦語

作為照明和顯示領域的關鍵基礎元器件之一，白光電光源的開發進程決定了光電信息時代的更新演進，因此如何更有效地實現高效的白光發光二極管（LED）是一個重要的課題，也是眾多研究人員關注的 “熱點”。

我們課題組也一直在思考和探索這個方向，形成了一些觀點和想法，并以“Research Progress of Full Electroluminescent White Light-Emitting Diodes Based on a Single Emissive Layer”為題在 Light: Science & Applications 發表了一篇綜述文章。

我們認為，單層發光層有望成為一種“化繁為簡”的方法，從發光原理到器件結構設計，簡化白光 LED 的技術制程，實現更高效發光，我們稱之為 SEL-WLED（WLEDs based on a single emissive layer）。

          ——曾海波教授

一、什么是 SEL-WLED

簡單來說，SEL-WLED 就是利用單一發光層實現白光發射的電致發光。

通常地，大家普遍認為的白光，其實是多種顏色的混合色，尤其是指紅綠藍三基色的混合。涉及到多種顏色，自然就涉及到器件結構的設計以及不同顏色發光層的設計。多種發光材料、多層結構、逐層制備等等，這些都意味著繁瑣的制程，是增加 WLED 制備成本的主要源頭。如果能用單一材料的發光層來替代多層結構，無疑會大大簡化這個制程，而且傳統WLED中存在的載流子分配的競爭和調控等難題也能得到改善。

這樣的策略，早在 WLED 剛出現的時候就已經得到了驗證，與傳統結構的 WOLED（White Organic Light Emitting Diode），WQLED（White Quantum-dot Light Emitting Diode）一起發展至今。如圖1所示，從上個世紀末開始，不斷有基于有機材料、量子點材料、鈣鈦礦材料的SEL-WLEDs涌現出來，眾多的研究人員對其始終保持著研究熱情。

圖1. SEL-WLED發展時間線

二、SEL-WLED：發光材料及其發光機理

在白光電光源發展的二十多年間，諸多發光材料被開發出來并嘗試實現 SEL-WLED，其中典型的主要可以分為有機分子、量子點以及近幾年異軍突起的鈣鈦礦材料。

如圖2所示，相比于傳統量子阱結構的晶體 LED（圖2a），由于引入有機分子、量子點、鈣鈦礦等具有可見光范圍可調節的發光材料，器件結構得到了逐步的簡化，從多層結構（圖2b）到單層結構（圖2c），從多種發光材料（圖2b、2c）到單一發光材料（圖2d），實現了超薄、超輕、甚至可以柔性彎折的白光 LED，這些研究進展無疑顯示出了白光 LED 在“化繁為簡”的方向上取得了顯著的成果，也顯示出了新型發光材料在推動白光 LED 發展上的關鍵性作用。 

圖2. 有機分子、量子點、鈣鈦礦等發光材料及其實現WLED的器件結構

因此，在本綜述中，我們將從上述發光材料出發，介紹其發光機理以及實現SEL-WLED的可行策略，如圖3所示：

1）紅綠藍等多種發光材料分布于同一主體材料中，調控主客體之間的載流子注入和復合，從而實現多顏色發光中心的共同電致發光，這一策略近些年來已在 OLED 中得到有效的驗證；

2）紅綠藍等多種發光材料的直接混合，依靠能量傳遞，實現載流子在紅綠藍發光中心的均衡復合，目前量子點的 SEL-WLED 基本上采用這一策略；

3）設計具有紅綠藍等多個發光中心的單一材料是一種理想的策略，尤其是實現全可見光覆蓋的寬譜發光，這在模仿太陽光的健康照明應用上具有巨大價值。

我們接下來將這些策略分別結合具體的研究案例進行具體分析。

圖3. 有機分子、量子點、鈣鈦礦等發光材料及其實現WLED的器件結構

三、SEL-WLED 典型案例

1）基于有機發光材料的 SEL-WOLEDs

在 OLED 體系中，將紅綠藍發光客體共摻雜于一個主體材料中，從而形成單一發光層，是 SEL-WOLEDs 的一個主要方向，非常多的研究集中于選取合適的主客體材料以及探究其間的載流子輸運和激子復合發光的機理，這里我們總結了這方面工作的研究進展和可行的策略，并且選取了一些代表性的研究成果，供大家參考：

1）開發主客體材料以及載流子輸運調控策略，來實現 SEL 中激子在紅綠藍等多個發光中心的均衡、有效的復合（Adv. Mater. 27, 7079–7085 (2015)；Mater. Horizons 2, 536–544 (2015)；Chem. Sci. 7, 896–904 (2016)；Adv. Mater. 32, 1–8 (2020)）；

2）有機分子聚合形成具有多顏色發光中心的聚合物發光材料，將紅綠藍等多種發光分子通過聚合的方式集成到同一個長鏈聚合物分子上，從而實現在單一聚合物中調控紅綠藍等多發光中心的可控分布（Adv. Funct. Mater. 15, 1647–1655 (2005)）；

3）設計并合成制備具有多顏色發光中心的有機材料，通過材料中的結構調控實現寬光譜的電致發光（Adv. Mater. 31, 1900613 (2019)）。

2）基于量子點發光材料的 SEL-WQLEDs

量子點，因為其顆粒-溶液特性以及量子尺寸效應，在多顏色共同發光形成白光 LED 上具有巨大的優勢。不同顏色的量子點按照適當的比例混合，是一種實現在單一發光層中共同電致發光的策略（Nano Lett. 7, 2196–2200 (2007)；Adv. Mater. 26, 6387–6393 (2014)；Org. Electron. 88, 106021 (2021)）。

當然，由于缺乏能量傳遞的調控，載流子在紅綠藍量子點上的注入難以均衡，導致器件的性能難以提升。這也成為 SEL-WQLEDs 發展可能的努力方向：能量傳遞機制研究以及載流子均衡有效分配調控策略的開發。

3）基于鈣鈦礦材料的 SEL-WPeLEDs

由于具有優異的光電性質，鈣鈦礦材料最近幾年發展迅速，不管是在以太陽能電池、光電探測器為代表應用的光電轉換上，還是在電致發光LED器件上，都取得了耀眼的成就。在實現 SEL-WLEDs 上，不僅有基于紅綠藍等單色光共同電致發光的探索（Adv. Mater. 29, 1–7 (2017)；Chem. Sci. 11, 11338–11343 (2020)）；也有基于新發光機理的單一鈣鈦礦材料的多中心共同發光研究，比如：

1）將具有多發光中心的稀土元素摻雜到鈣鈦礦晶體中，形成同一材料中的主客體發光中心共存（ACS Energy Lett. 5, 2131–2139 (2020)）；

2）鈣鈦礦晶格畸變誘導產生自陷態激子發光，具有較大的斯托克位移，從而實現寬光譜的發光（Nature 563, 541–545 (2018)；Nat. Photonics 15, 238–244 (2021)；Nat. Mater. 20, 10–21 (2021)）。

這些新的發光現象，給 SEL-WLEDs 的發展注入了新的活力。考慮到鈣鈦礦材料的成本優勢，以及單一材料寬譜發光的優勢，我們認為鈣鈦礦應用于 SEL-WLEDs 具有巨大的潛力，值得更加深入的研究和探索。

四、多發光中心共存的發光材料應用于 SEL-WLED

通過本綜述的調研和分析，我們提出：多發光中心共存的發光材料應用于 SEL-WLEDs 是照明 WLED 技術發展的一個重要方向，具有光明的前景。

一方面，單一材料具有多顏色發光中心能夠簡化傳統紅綠藍混合 WLED 的制備流程，在材料成本上和工藝成本上都具有優勢；

另一方面，單一材料實現全可見光范圍的寬譜發光，這能夠更加真實的模仿太陽光，能夠更加契合人類生理和心理需求，是實現人類健康照明的最佳選擇。

五、前景與挑戰

通過本文的綜述，可以發現，SEL-WLEDs 在制備工藝和成本上具有優勢，因此在諸多研究方向上展現出巨大潛力：

1）仿生電光源，類太陽光健康照明；

2）微顯示主動光源；

3）可見光通信等智能穿戴技術。

然而在推動應用的過程中，其光電性能的提升上還面臨著諸多問題，比如我們上述提到的基于單一材料發光的器件：

1）單一材料電致白光的發光效率還處在較低水平，開發相應的光耦合輸出等外在調控策略、材料光電性能優化等內在調控策略，會是未來提升SEL-WLED光電性能的重要方向；

2）在照明應用上，如何進行有效、穩定的光譜調節和類太陽光發光，相關研究還很少，還需要更多的努力和探索；

3）顯示應用上，SEL-WLEDs 有望形成新的低成本顯示制造路線，然而如何基于單層發光層的紅綠藍純色發光滿足超高清顯示需求，面臨著巨大挑戰。

| 論文信息 |

Xiang et al. Light: Science & Applications (2021) 10:206

https://doi.org/10.1038/s41377-021-00640-4

監制 | 趙陽

編輯 | 趙唯

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