華中科技大學《Science》子刊：新型顯示與發光技術領域取得重要進展！

近日，華中科技大學單片集成光電子器件與系統團隊羅家俊教授等人在新型顯示與發光技術領域取得重要進展。相關研究成果以“Vapor-deposited copper-iodide clusters based light-emitting diodes for pico-projector”為題發表在《Science Advances》上。華中科技大學武漢光電國家研究中心和光學與電子信息學院為論文第一單位，博士生羅意琪、楊龍波、張翔為論文的共同第一作者，羅家俊教授為論文的通訊作者。

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adz9942

隨著增強現實（AR）、智能穿戴及車載顯示技術的飛速發展，市場對高亮度、長壽命、微型化光源的需求日益迫切。市面上主流的微型有機發光二極管（micro-OLED）存在光譜不理想、能量傳遞效率底下等問題，而微型發光二極管（micro-LED）則還面臨著復雜的制備和集成工藝。利用工業產線兼容且可一體化集成的工藝，制備兼具高效率與高穩定性的發光材料與器件，是下一代微型化光源實現的關鍵。該研究創新性地通過分子空間位阻工程，在真空條件下一步法合成了具有近100%發光量子產率的碘化亞銅(CuI)團簇，并成功研制出效率與壽命均創紀錄的團簇基發光二極管（CLED），并展示了首個基于CLED的顯示面板及微型投影儀原型演示。

圖1. 配體穩定的CuI團簇合物的形成過程。A 在基底上一步法原位合成-沉積CuI團簇薄膜的示意圖。B 35DCzPPy（上）和26DCzPPy（下）的分子結構及其CuI團簇的形成過程。C、D [35DCzPPy]4Cu2I2 和 [26DCzPPy]mCunIp 粉末樣品的 EXAFS 數據，E[35DCzPPy]4Cu2I2 和 [26DCzPPy]mCunIp薄膜的TEM圖像。

通過真空蒸鍍法制備金屬鹵化物團簇發光層，往往面臨前驅體反應不充分、易發生銅-銅（Cu-Cu）聚集導致發光猝滅的問題，使得蒸鍍器件的性能遠低于溶液法器件。研究團隊采用了一種基于分子空間位阻調控的共蒸鍍策略。如圖1所示，通過精心選擇具有小空間位阻的吡啶類配體（35DCzPPy），在共蒸鍍過程中，CuI與配體能夠充分反應，自組裝形成結構均一的[35DCzPPy]4Cu2I2團簇，有效抑制了非輻射的Cu-Cu聚集。這種分子工程策略為化學反應提供了精確的導向，確保了在無溶劑環境下也能實現完美配位，是實現高性能發光的關鍵。得益于對Cu-Cu聚集的有效抑制，基于低位阻35DCzPPy配體制備的[35DCzPPy]4Cu2I2薄膜展現出優異的發光特性，光致發光量子產率（PLQY）高達90.4%，遠優于[26DCzPPy]mCunIp（3.78%）。變溫瞬態熒光光譜分析和激發態動力學計算表明，[35DCzPPy]4Cu2I2的單線態和三線態輻射復合速率均比[26DCzPPy]mCunIp高出一個數量級。

圖3. 氣相沉積CuI團簇基LED的性能。A全熱蒸發 [35DCzPPy]4Cu2I2 團簇基LED的器件結構及相應能級圖。 B、C、D [35DCzPPy]4Cu2I2 和 [26DCzPPy]?Cu?I? 團簇基LED的J-V，L-V，EQE-L特性。E兩種器件的歸一化電致發光(EL)光譜。F 20個器件的峰值外量子效率統計直方圖。 G [35DCzPPy]4Cu2I2團簇基發光二極管在不同初始亮度（L0）下的工作壽命測試曲線。H T50壽命隨L0的變化關系I本工作中的[35DCzPPy]4Cu2I2簇基LED與已報道的氣相沉積金屬鹵化物雜化物LED的性能對比。紅色五角星代表本工作。

基于這一高性能發光薄膜，研究團隊構建了全真空蒸鍍的團簇基LED。如圖3所示，優化后的器件展現出卓越的性能：峰值外量子效率（EQE）高達19.4%，最大亮度超過34,000 cd·m-2。尤為重要的是，得益于對3CC非輻射躍遷的有效抑制，器件的穩定性取得了突破，在初始亮度100 cd·m-2下，擬合壽命（T50）長達4,186小時，這是目前文獻報道中最穩定的氣相沉積金屬鹵化物團簇基LED。

圖4. 微型團簇基LED顯示面板的制備及投影儀原型機。A 微顯示面板的詳細像素阱結構及器件沉積布局示意圖。B 不同銀厚度的半透明陰極透過率。C微型簇基發光二極管顯示面板的EL光譜。D微型投影儀原理示意圖。E通過微投影投射在屏幕上的實際圖像演示。

借助真空蒸鍍技術與現有半導體產線的高兼容性，研究團隊進一步將這一高性能CLED集成到背板上，成功制備出基于CLED的顯示面板（圖4）。針對頂發射結構優化了半透明陰極后，該顯示面板展現了優異的畫質。團隊以此為核心，搭建了首個基于CLED的微投影原型機，成功將圖像投射到屏幕上，實現了近10倍的放大倍率，且畫面保持了高對比度和高動態范圍，暗態效果極佳。

這項研究對下一代微型顯示和投影技術的發展具有重要意義。在基礎科學層面，它揭示了有機配體的空間位阻對氣相沉積過程中金屬鹵化物團簇結構演化和發光性能的決定性影響，為設計高性能蒸鍍型發光材料提供了新范式。在應用層面，該研究首次驗證了基于環境友好、地殼豐度高的銅基鹵化物團簇，通過完全與工業兼容的真空蒸鍍技術，實現兼具高效率、超長壽命的LED。該技術有望在未來應用于智能眼鏡、車載抬頭顯示（HUD）以及便攜式微型投影儀等領域的顯示方案，推動顯示和照明技術向更高效、更緊湊、更智能化的方向發展。

羅家俊教授，華中科技大學武漢光電研究中心教授、博士生導師，國家基金委優秀青年基金獲得者，國際信息顯示學會（SID）中韓青年領袖。長期從事新興光電子器件研發、光學系統架構設計及光電子元件集成等方面研究。在《Nature》、《Nature Photonics》、《Nature Reviews Materials》等期刊發表論文50余篇，申請/授權中國發明專利20余項。先后主持了國家自然科學基金、重點研發計劃課題、湖北省重大研究課題等多個項目。獲2017、2018、2023年中國光學十大進展、中國光學學會優博、王大珩光學獎、中國光學工程學會自然科學一等獎。

本文來自“材料科學與工程”公眾號，感謝論文作者團隊支持。

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