作為照明和顯示領域的關鍵基礎元器件之一，白光電光源的開發程序決定了光電資訊時代的更新演進，因此如何更有效地實現高效的白光發光二極體（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，並以“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的技術製程，實現更高效發光，我們稱之為SEL-WLED（WLEDs based on a single emissive layer）。
一、什麼是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、逐層製備等等，這些都意味著繁瑣的製程，是增加WLED製備成本的主要源頭。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製程，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，不斷有基於有機材料、量子點材料、鈣鈦礦材料的SEL-WLEDs湧現出來，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並嘗試實現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，相比於傳統量子阱結構的晶體LED（圖2a），由於引入有機分子、量子點、鈣鈦礦等具有可見光範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佈於同一主體材料中，調控主客體之間的載流子注入和複合，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髮光中心的均衡複合，目前量子點的SEL-WLED基本上採用這一策略；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）基於有機發光材料的SEL-WOLEDs
在OLED體系中，將紅綠藍髮光客體共摻雜於一個主體材料中，從而形成單一發光層，是SEL-WOLEDs的一個主要方向，非常多的研究集中於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複合發光的機理，這裡我們總結了這方面工作的研究進展和可行的策略，並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、有效的複合（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透過聚合的方式整合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佈（Adv. Funct. Mater. 15, 1647–1655 (2005)）；3）設計併合成製備具有多顏色發光中心的有機材料，透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）基於量子點發光材料的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，由於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，導致器件的效能難以提升。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）基於鈣鈦礦材料的SEL-WPeLEDs
由於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，不僅有基於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)）；也有基於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於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於SEL-WLED
透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於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的製備流程，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範圍的寬譜發光，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
透過本文的綜述，可以發現，SEL-WLEDs在製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）可見光通訊等智慧穿戴技術。然而在推動應用的過程中，其光電效能的提升上還面臨著諸多問題，比如我們上述提到的基於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、材料光電效能最佳化等內在調控策略，會是未來提升SEL-WLED光電效能的重要方向；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製造路線，然而如何基於單層發光層的紅綠藍純色發光滿足超高畫質顯示需求，面臨著巨大挑戰。
論文資訊：
Xiang, H., Wang, R., Chen, J. et al. Research progress of full electroluminescent white light-emitting diodes based on a single emissive layer. Light Sci. Appl. 10, 206 (2021).
論文地址：
https://doi.org/10.1038/s41377-021-00640-4
