Sci.Adv.|基于气相沉积碘化亚铜簇基LED实现效率与寿命提升

近日，华中科技大学单片集成光电子器件与系统团队罗家俊教授等人在新型显示与发光技术领域取得重要进展。相关研究成果以“Vapor-deposited copper-iodide clusters based light-emitting diodes for pico-projector”为题发表在《Science Advances》上。华中科技大学武汉光电国家研究中心和光学与电子信息学院为论文第一单位，博士生罗意琪、杨龙波、张翔为论文的共同第一作者，罗家俊教授为论文的通讯作者。

随着增强现实（AR）、智能穿戴及车载显示技术的飞速发展，市场对高亮度、长寿命、微型化光源的需求日益迫切。市面上主流的微型有机发光二极管（micro-OLED）存在光谱不理想、能量传递效率底下等问题，而微型发光二极管（micro-LED）则还面临着复杂的制备和集成工艺。利用工业产线兼容且可一体化集成的工艺，制备兼具高效率与高稳定性的发光材料与器件，是下一代微型化光源实现的关键。该研究创新性地通过分子空间位阻工程，在真空条件下一步法合成了具有近100%发光量子产率的碘化亚铜(CuI)团簇，并成功研制出效率与寿命均创纪录的团簇基发光二极管（CLED），并展示了首个基于CLED的显示面板及微型投影仪原型演示。

图1. 配体稳定的CuI团簇合物的形成过程。A 在基底上一步法原位合成-沉积CuI团簇薄膜的示意图。B 35DCzPPy（上）和26DCzPPy（下）的分子结构及其CuI团簇的形成过程。C、D [35DCzPPy]4Cu2I2和 [26DCzPPy]mCunIp粉末样品的 EXAFS 数据，E[35DCzPPy]4Cu2I2和[26DCzPPy]mCunIp薄膜的TEM图像。

通过真空蒸镀法制备金属卤化物团簇发光层，往往面临前驱体反应不充分、易发生铜-铜（Cu-Cu）聚集导致发光猝灭的问题，使得蒸镀器件的性能远低于溶液法器件。研究团队采用了一种基于分子空间位阻调控的共蒸镀策略。如图1所示，通过精心选择具有小空间位阻的吡啶类配体（35DCzPPy），在共蒸镀过程中，CuI与配体能够充分反应，自组装形成结构均一的[35DCzPPy]4Cu2I2团簇，有效抑制了非辐射的Cu-Cu聚集。这种分子工程策略为化学反应提供了精确的导向，确保了在无溶剂环境下也能实现完美配位，是实现高性能发光的关键。得益于对Cu-Cu聚集的有效抑制，基于低位阻35DCzPPy配体制备的[35DCzPPy]4Cu2I2薄膜展现出优异的发光特性，光致发光量子产率（PLQY）高达90.4%，远优于[26DCzPPy]mCunIp（3.78%）。变温瞬态荧光光谱分析和激发态动力学计算表明，[35DCzPPy]4Cu2I2的单线态和三线态辐射复合速率均比[26DCzPPy]mCunIp高出一个数量级。

图3. 气相沉积CuI团簇基LED的性能。A全热蒸发 [35DCzPPy]4Cu2I2团簇基LED的器件结构及相应能级图。 B、C、D [35DCzPPy]4Cu2I2和 [26DCzPPy]ₘCuₙIₚ团簇基LED的J-V，L-V，EQE-L特性。E两种器件的归一化电致发光(EL)光谱。F 20个器件的峰值外量子效率统计直方图。 G [35DCzPPy]4Cu2I2团簇基发光二极管在不同初始亮度（L0）下的工作寿命测试曲线。H T50寿命随L0的变化关系I本工作中的[35DCzPPy]4Cu2I2簇基LED与已报道的气相沉积金属卤化物杂化物LED的性能对比。红色五角星代表本工作。

基于这一高性能发光薄膜，研究团队构建了全真空蒸镀的团簇基LED。如图3所示，优化后的器件展现出卓越的性能：峰值外量子效率（EQE）高达19.4%，最大亮度超过34,000 cd·m-2。尤为重要的是，得益于对3CC非辐射跃迁的有效抑制，器件的稳定性取得了突破，在初始亮度100 cd·m-2下，拟合寿命（T50）长达4,186小时，这是目前文献报道中最稳定的气相沉积金属卤化物团簇基LED。

图4. 微型团簇基LED显示面板的制备及投影仪原型机。A 微显示面板的详细像素阱结构及器件沉积布局示意图。B 不同银厚度的半透明阴极透过率。C微型簇基发光二极管显示面板的EL光谱。D微型投影仪原理示意图。E通过微投影投射在屏幕上的实际图像演示。

借助真空蒸镀技术与现有半导体产线的高兼容性，研究团队进一步将这一高性能CLED集成到背板上，成功制备出基于CLED的显示面板（图4）。针对顶发射结构优化了半透明阴极后，该显示面板展现了优异的画质。团队以此为核心，搭建了首个基于CLED的微投影原型机，成功将图像投射到屏幕上，实现了近10倍的放大倍率，且画面保持了高对比度和高动态范围，暗态效果极佳。

这项研究对下一代微型显示和投影技术的发展具有重要意义。在基础科学层面，它揭示了有机配体的空间位阻对气相沉积过程中金属卤化物团簇结构演化和发光性能的决定性影响，为设计高性能蒸镀型发光材料提供了新范式。在应用层面，该研究首次验证了基于环境友好、地壳丰度高的铜基卤化物团簇，通过完全与工业兼容的真空蒸镀技术，实现兼具高效率、超长寿命的LED。该技术有望在未来应用于智能眼镜、车载抬头显示（HUD）以及便携式微型投影仪等领域的显示方案，推动显示和照明技术向更高效、更紧凑、更智能化的方向发展。

罗家俊教授，华中科技大学武汉光电研究中心教授、博士生导师，国家基金委优秀青年基金获得者，国际信息显示学会（SID）中韩青年领袖。长期从事新兴光电子器件研发、光学系统架构设计及光电子元件集成等方面研究。在《Nature》、《Nature Photonics》、《Nature Reviews Materials》等期刊发表论文50余篇，申请/授权中国发明专利20余项。先后主持了国家自然科学基金、重点研发计划课题、湖北省重大研究课题等多个项目。获2017、2018、2023年中国光学十大进展、中国光学学会优博、王大珩光学奖、中国光学工程学会自然科学一等奖。

原文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adz9942

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