Light | 单层发光层-白光LED

撰稿 | 相恒阳

说明 | 本文来自论文作者（课题组）投稿

· 作者荐语

作为照明和显示领域的关键基础元器件之一，白光电光源的开发进程决定了光电信息时代的更新演进，因此如何更有效地实现高效的白光发光二极管（LED）是一个重要的课题，也是众多研究人员关注的 “热点”。

我们课题组也一直在思考和探索这个方向，形成了一些观点和想法，并以“Research Progress of Full Electroluminescent White Light-Emitting Diodes Based on a Single Emissive Layer”为题在 Light: Science & Applications 发表了一篇综述文章。

我们认为，单层发光层有望成为一种“化繁为简”的方法，从发光原理到器件结构设计，简化白光 LED 的技术制程，实现更高效发光，我们称之为 SEL-WLED（WLEDs based on a single emissive layer）。

          ——曾海波教授

一、什么是 SEL-WLED

简单来说，SEL-WLED 就是利用单一发光层实现白光发射的电致发光。

通常地，大家普遍认为的白光，其实是多种颜色的混合色，尤其是指红绿蓝三基色的混合。涉及到多种颜色，自然就涉及到器件结构的设计以及不同颜色发光层的设计。多种发光材料、多层结构、逐层制备等等，这些都意味着繁琐的制程，是增加 WLED 制备成本的主要源头。如果能用单一材料的发光层来替代多层结构，无疑会大大简化这个制程，而且传统WLED中存在的载流子分配的竞争和调控等难题也能得到改善。

这样的策略，早在 WLED 刚出现的时候就已经得到了验证，与传统结构的 WOLED（White Organic Light Emitting Diode），WQLED（White Quantum-dot Light Emitting Diode）一起发展至今。如图1所示，从上个世纪末开始，不断有基于有机材料、量子点材料、钙钛矿材料的SEL-WLEDs涌现出来，众多的研究人员对其始终保持着研究热情。

图1. SEL-WLED发展时间线

二、SEL-WLED：发光材料及其发光机理

在白光电光源发展的二十多年间，诸多发光材料被开发出来并尝试实现 SEL-WLED，其中典型的主要可以分为有机分子、量子点以及近几年异军突起的钙钛矿材料。

如图2所示，相比于传统量子阱结构的晶体 LED（图2a），由于引入有机分子、量子点、钙钛矿等具有可见光范围可调节的发光材料，器件结构得到了逐步的简化，从多层结构（图2b）到单层结构（图2c），从多种发光材料（图2b、2c）到单一发光材料（图2d），实现了超薄、超轻、甚至可以柔性弯折的白光 LED，这些研究进展无疑显示出了白光 LED 在“化繁为简”的方向上取得了显著的成果，也显示出了新型发光材料在推动白光 LED 发展上的关键性作用。 

图2. 有机分子、量子点、钙钛矿等发光材料及其实现WLED的器件结构

因此，在本综述中，我们将从上述发光材料出发，介绍其发光机理以及实现SEL-WLED的可行策略，如图3所示：

1）红绿蓝等多种发光材料分布于同一主体材料中，调控主客体之间的载流子注入和复合，从而实现多颜色发光中心的共同电致发光，这一策略近些年来已在 OLED 中得到有效的验证；

2）红绿蓝等多种发光材料的直接混合，依靠能量传递，实现载流子在红绿蓝发光中心的均衡复合，目前量子点的 SEL-WLED 基本上采用这一策略；

3）设计具有红绿蓝等多个发光中心的单一材料是一种理想的策略，尤其是实现全可见光覆盖的宽谱发光，这在模仿太阳光的健康照明应用上具有巨大价值。

我们接下来将这些策略分别结合具体的研究案例进行具体分析。

图3. 有机分子、量子点、钙钛矿等发光材料及其实现WLED的器件结构

三、SEL-WLED 典型案例

1）基于有机发光材料的 SEL-WOLEDs

在 OLED 体系中，将红绿蓝发光客体共掺杂于一个主体材料中，从而形成单一发光层，是 SEL-WOLEDs 的一个主要方向，非常多的研究集中于选取合适的主客体材料以及探究其间的载流子输运和激子复合发光的机理，这里我们总结了这方面工作的研究进展和可行的策略，并且选取了一些代表性的研究成果，供大家参考：

1）开发主客体材料以及载流子输运调控策略，来实现 SEL 中激子在红绿蓝等多个发光中心的均衡、有效的复合（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）有机分子聚合形成具有多颜色发光中心的聚合物发光材料，将红绿蓝等多种发光分子通过聚合的方式集成到同一个长链聚合物分子上，从而实现在单一聚合物中调控红绿蓝等多发光中心的可控分布（Adv. Funct. Mater. 15, 1647–1655 (2005)）；

3）设计并合成制备具有多颜色发光中心的有机材料，通过材料中的结构调控实现宽光谱的电致发光（Adv. Mater. 31, 1900613 (2019)）。

2）基于量子点发光材料的 SEL-WQLEDs

量子点，因为其颗粒-溶液特性以及量子尺寸效应，在多颜色共同发光形成白光 LED 上具有巨大的优势。不同颜色的量子点按照适当的比例混合，是一种实现在单一发光层中共同电致发光的策略（Nano Lett. 7, 2196–2200 (2007)；Adv. Mater. 26, 6387–6393 (2014)；Org. Electron. 88, 106021 (2021)）。

当然，由于缺乏能量传递的调控，载流子在红绿蓝量子点上的注入难以均衡，导致器件的性能难以提升。这也成为 SEL-WQLEDs 发展可能的努力方向：能量传递机制研究以及载流子均衡有效分配调控策略的开发。

3）基于钙钛矿材料的 SEL-WPeLEDs

由于具有优异的光电性质，钙钛矿材料最近几年发展迅速，不管是在以太阳能电池、光电探测器为代表应用的光电转换上，还是在电致发光LED器件上，都取得了耀眼的成就。在实现 SEL-WLEDs 上，不仅有基于红绿蓝等单色光共同电致发光的探索（Adv. Mater. 29, 1–7 (2017)；Chem. Sci. 11, 11338–11343 (2020)）；也有基于新发光机理的单一钙钛矿材料的多中心共同发光研究，比如：

1）将具有多发光中心的稀土元素掺杂到钙钛矿晶体中，形成同一材料中的主客体发光中心共存（ACS Energy Lett. 5, 2131–2139 (2020)）；

2）钙钛矿晶格畸变诱导产生自陷态激子发光，具有较大的斯托克位移，从而实现宽光谱的发光（Nature 563, 541–545 (2018)；Nat. Photonics 15, 238–244 (2021)；Nat. Mater. 20, 10–21 (2021)）。

这些新的发光现象，给 SEL-WLEDs 的发展注入了新的活力。考虑到钙钛矿材料的成本优势，以及单一材料宽谱发光的优势，我们认为钙钛矿应用于 SEL-WLEDs 具有巨大的潜力，值得更加深入的研究和探索。

四、多发光中心共存的发光材料应用于 SEL-WLED

通过本综述的调研和分析，我们提出：多发光中心共存的发光材料应用于 SEL-WLEDs 是照明 WLED 技术发展的一个重要方向，具有光明的前景。

一方面，单一材料具有多颜色发光中心能够简化传统红绿蓝混合 WLED 的制备流程，在材料成本上和工艺成本上都具有优势；

另一方面，单一材料实现全可见光范围的宽谱发光，这能够更加真实的模仿太阳光，能够更加契合人类生理和心理需求，是实现人类健康照明的最佳选择。

五、前景与挑战

通过本文的综述，可以发现，SEL-WLEDs 在制备工艺和成本上具有优势，因此在诸多研究方向上展现出巨大潜力：

1）仿生电光源，类太阳光健康照明；

2）微显示主动光源；

3）可见光通信等智能穿戴技术。

然而在推动应用的过程中，其光电性能的提升上还面临着诸多问题，比如我们上述提到的基于单一材料发光的器件：

1）单一材料电致白光的发光效率还处在较低水平，开发相应的光耦合输出等外在调控策略、材料光电性能优化等内在调控策略，会是未来提升SEL-WLED光电性能的重要方向；

2）在照明应用上，如何进行有效、稳定的光谱调节和类太阳光发光，相关研究还很少，还需要更多的努力和探索；

3）显示应用上，SEL-WLEDs 有望形成新的低成本显示制造路线，然而如何基于单层发光层的红绿蓝纯色发光满足超高清显示需求，面临着巨大挑战。

| 论文信息 |

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

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

监制 | 赵阳

编辑 | 赵唯

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