钙钛矿在显示技术领域大放异彩

1、微小钙钛矿晶体制造的突破为具有卓越效率和色彩保真度的新一代显示器开辟了机会

 在韩国SN Display上展示的基于钙钛矿纳米晶体的电视显示器表现出优异的色彩特性。

过去十年来，显示器领域的激烈竞争催生了各种技术的激增，从液晶显示器（LCD）到有机发光二极管（OLED）和量子点LED显示器。该领域正在迅速发展，随着先进材料技术的改进，创造了更亮、更有活力、更持久和更便宜的显示面板。

随着显示器制造商不断突破其技术的极限，标准已经设定得如此之高，以至于新技术需要真正具有开创性。进入钙钛矿纳米晶体 （PeNC）。

卤化物钙钛矿作为催化剂、传感器、太阳能电池、LED和其它光电器件的低成本、多功能材料已被研究多年。卤化物钙钛矿材料是一类具有特征晶体结构和一般化学式ABX₃的化合物，其中A可以是大的有机或金属阳离子，B通常是较小的金属离子，X是带负电荷的卤化物离子（如氯化物、溴化物或碘化物）。

这种简单的化学式产生了高度均匀的立方晶体结构。然而，它也掩盖了多种可能的原子组合，每一种都产生了具有独特特性的矿物结构晶体，包括光的发射。

“当我第一次看到钙钛矿发射器发出的发光时，我就对钙钛矿着迷了，”总部位于韩国首尔的显示技术公司SN Display的负责人Tae-Woo Lee回忆道。“颜色的纯度令人惊叹—我从未见过这样的东西。从那一刻起，我的目标就是将钙钛矿商业化，作为下一代显示技术的基础。

2、块状到纳米晶体

钙钛矿以其在下一代太阳能电池中的应用而闻名。在太阳能电池中，钙钛矿吸收光能产生激子—一种由电子和空穴组成的准粒子—迅速分解。然后在电极上捕获电子和空穴以产生电流。然而，激子快速解离成电子和空穴，这使得钙钛矿非常适合太阳能电池，但阻碍了它们发光。“尽管发射质量很好，但这种固有的钙钛矿特性限制了它们在显示器中的使用，”Lee 说。

当 Lee 的团队生产出钙钛矿作为纳米级晶体时，突破出现了。在此之前，钙钛矿主要被制造成大晶粒多晶薄膜，主要用于太阳能电池和其他光电应用。“当粒径仅为10纳米左右，或比激子玻尔直径稍大时，我们可以在室温下突然获得明亮的发射，其电致发光效率可与当今的OLED相媲美，”Lee 说。

该发现于2014年获得专利并于2015年公开，为基于钙钛矿的显示技术奠定了基础，有望超越其他显示技术。

 溶液中钙钛矿的纳米晶体根据纳米晶体的化学成分发出不同颜色的光。

3、发光独一无二

可以说，PeNC最诱人的特点是其颜色的纯度。有机发光和量子点发光分布在色谱中，以发射的光波长的光谱宽度来测量。典型的OLED和量子点LED的光谱宽度分别约为50纳米和 35纳米。相比之下，PeNC可以达到20纳米的窄度—这是所有纳米晶体中报道的最窄的。这种无与伦比的发射清晰度为PeNC提供了非凡的逼真色彩质量，使其能够实现 Rec. 2020 色域的 100% 覆盖率。“传统的无机量子点无法实现我们的PeNC所能达到的窄光谱宽度，”Lee 指出。

当前的高端显示器市场主要包括两种类型的显示器：颜色转换显示器（例如由具有量子点颜色转换层的LED背光的LCD或使用量子点颜色转换像素的OLED和自发光显示器，例如 OLED。

Lee 说：“在这种超越量子限制的纳米晶体尺寸范围内，保留了高量子效率和窄发射光谱，钙钛矿表现出卓越的光学特性，使其成为与传统蓝光LED背光灯配对时用于颜色转换薄膜的理想选择。“我们使用PeNC薄膜作为高达75英寸的高效色彩转换层制造了背光显示器，具有高亮度、卓越的色彩纯度和宽广的色域。”自最初发现以来，Lee 的团队一直致力于开发一种有效的方法来大量制造 PeNC。

“我们开发了一种高产量、低成本的室温合成方法，使我们能够非常高效地生产高质量PeNC 的大面积薄膜，”Lee 说。

“这种方法不需要传统的无机量子点通常需要的极端合成条件，例如高温（约 300°C）。”

Lee 在 SN Display 的团队现在正在与行业合作伙伴合作，将这种用于显示器的钙钛矿纳米晶体技术商业化。“我们正在与三星和现代等领先公司合作，以推进这项技术并探索其在未来商业产品中的潜力。”

4、纳米晶体阵列

为了满足行业需求，SN Display正在开发一种PeNC 阵列，专为每英寸超过3,000像素的高分辨率增强现实（AR）和虚拟现实（VR）显示器量身定制。通过使用专用树脂和各种配体修饰纳米晶体的表面化学性质，其吸收系数比传统无机量子点高约10倍，其PeNC墨水支持高分辨率图案化技术，如光刻、喷墨印刷和转移图案。该阵列具有超小像素（2-3微米），可创建色彩增强的micro OLED/LED器件原型，厚度仅为1-2微米，可实现有效的蓝光吸收和转换，这对传统的无机量子点来说是一个挑战。这种创新方法有望降低下一代显示器的成本，同时提高当前显示器技术的色彩纯度。

除了在SN Display担任职务外，Lee还是首尔国立大学的教授。他拥有一支强大的研究团队，继续开发用于AR/VR的像素化PeNC阵列技术，并与Meta Platforms，Inc. 合作。

5、用于LED的纳米晶体

虽然将PeNC用于背光显示器显示出很大的前景，但自发光显示器被认为是理想的显示技术，因为它们在显示器、照明和光子器件中提供更高的对比度和能效。此外，这项技术应该以高效率提供全色域的逼真色彩，易于制造成微米级像素，具有长期稳定性，并在温和的条件下使用普通材料以低成本高效生产。有了 PeNC，这个理想现在比以往任何时候都更近了。

2022 年，Lee的团队在《Nature》杂志上发表了一篇论文详细介绍了使用原位核壳策略制造的电致发光器件。它实现了创纪录的外部量子效率、令人印象深刻的亮度和更长的设备寿命—比该领域之前的寿命记录提高了近 100 倍。

“我们正在将基于我们的PeNC平台的自发光电致发光像素技术商业化，用于自发光显示器，”Lee 说。Lee对使用PeNC作为各种应用光源的潜力感到兴奋。“我们的技术可以为许多不同的领域提供解决方案，”Lee 说。“除了大众显示器市场，它也非常适合其他应用，例如AR/VR显示器的光源、医疗显示器、教育显示器、柔性和可拉伸显示器、车辆和手表。”

但他认为最有前途的领域是显示。“我们的技术很便宜，尽管它拥有该领域最好的色彩质量，”Lee 说。“我们相信，这将是下一个高性能显示技术，具有卓越的色彩。”

（来源：钙钛矿材料和器件、Nature.com）