一、文章简介

曾海波教授领衔的新型显示材料与器件工信部重点实验室与德国慕尼黑工业大学合作在国际顶级期刊Nature Reviews Materials上以“Bespokecrystalline hybrids towards the next generation of white LEDs”为题发表前瞻性评述。

曾海波团队长期从事低维半导体材料与光电（显示、探测、隐身、能源）器件研究。在国际上发展了该体系红绿蓝及白光QLED器件。2021年，团队在国际顶级期刊Nature Photonics上首次报道了基于单层金属卤化物的高效电致白光（NaturePhotonics 15 (3), 238-244，ESI前1%高被引论文，ESI前0.1%热点论文），促进新一代照明显示白光电光源的发展，在钙钛矿与照明显示交叉领域引起了新一波研究热潮。基于此，团队深入探讨和总结了目前单层白光LED在发光材料设计及性能提升方面存在的问题，并对如何提升电荷传输性能、提升器件稳定性等方面提出了建议和展望。

二、背景与挑战

根据《World Energy Outlook 2021》分析，白光照明的电能消耗约占每年全世界电量的20%，并占据了全球12%的二氧化碳排放量。发光二极管（LED）是电力驱动的光源，具有体积小、重量轻、能效高等优势。目前商业化的LED照明技术为蓝光LED芯片（如氮化镓）激发荧光粉产生互补色从而混合形成白光，该成果也获得2014年的诺贝尔物理学奖。高亮度白光LED的问世颠覆了现代人类的生活。不过，问题也随之产生。

1. 蓝光污染

以蓝光芯片作为激发光源，使得产生的白光光谱中具有极高的蓝光比例，进而引发严重的蓝光污染问题。大量的短波长蓝光引发了现代社会人们睡眠障碍和视网膜损伤的根源。蓝光不仅会扰乱人们体内褪黑色素的正常分泌，对于自然界的生物的栖息与繁衍，如鸟类、昆虫、鱼类、海龟、海藻等，都造成了极大的干扰，其活动、辨向、竞争、交流能力皆受到影响。诺贝尔奖得主也曾亲承：蓝光污染问题是未曾预料的。

2. 光谱缺失

目前商业化的白光LED通常是通过蓝光芯片激发黄光荧光粉获得白光，这使得白光光谱缺失青光及红光部分，导致其CRI（显色指数）较低。太阳光及白炽灯色显色指数均为100%，而LED一般仅在70%左右，难以还原照射物品的本征色彩。

3. 光转换效率不高，自吸收效应

蓝光LED加荧光粉的组合面临着电激发+光转换两个过程。因此，在光转换的过程中，能量的低效利用、二次能量的耗散则是难以规避的问题

因此，如何设计健康、高显色指数、高效的白光材料与器件对于未来新一代环境友好的高质量白光具有极为深远的意义。

三、讨论与展望

具有自陷态激子特征的金属卤化物材料被认为是下一代健康、高质量照明的理想候选材料。此种材料的宽谱发光可覆盖整个可见光光谱（全光谱照明），同时具有大的斯托克斯位移（避免自吸收效应）。将自陷态材料作为单一发光层并以此构筑电致发光器件，不仅可以从源头上最大限度地减少蓝光污染（无蓝光激发源），而且避免自吸收效应，同时克服了传统LED光激发过程中二次能量损失并简化器件结构。2018年，研究人员报道了具有超高荧光量子产率（86%）的自陷态双钙钛矿材料Cs₂(Ag_0.60Na_0.40)InCl₆（Nature 563 (7732), 541-545）。然而，较差的电荷传输特性阻碍了自陷态材料进一步实现高效电致白光。2021年，研究人员通过设计同质异相结构α/δ-CsPbI₃，借助异相光电协同效应有机结合优异光电性能及载流子传导能力和的自陷态宽光谱特性（Nature Photonics 15 (3), 238-244），最终获得了外量子效率6.5%、亮度超过12200 cd m^-2的高效高亮度电致白光，达到了商业应用阈值（外量子效率6%，亮度1000-10000 cd m^-2）。

据此，作者认为通过将自陷态纳米材料嵌入金属有机框架、共价有机框架等结构，利用其自身的纳米级空间，一方面可以调控自陷态材料的生长与钝化缺陷，提供优异的有机配体修饰平台和孔径并提升其发光性能及稳定性；另一方面可以降低激子自陷的能垒并调控自陷态材料的电荷传输性能，使得载流子的传输与注入更为高效。研究人员认为通过合理设计自陷态金属卤化物与有机框架的结构及性能，可为未来健康、高质量的新型照明和显示技术的发展开辟一条新的道路。

曾海波教授简介：国家杰出青年基金获得者，国家高层次领军人才，英国皇家化学会会士，美国光学会会士，科瑞维安全球高被引科学家，爱思维尔全球2%顶尖科学家。现任中国仪表功能材料学会常务理事，中国颗粒学会发光颗粒专委会主任，江苏省颗粒学会副理事长，材料研究学会副理事长。长期从事半导体光电材料与器件的教学和研究工作，包括发光材料与成像显示技术，吸波材料与隐身技术，二维半导体与集成电路技术。以第一或通讯作者发表Nature Photonics、Nature Reviews Materials、Nature Electronics、Nature Communications (8)、Advanced Materials (25)等期刊论文235篇，ESI高被引论文45篇，SCI引用40,000余次，H因子101，其中5篇研究论文的单篇引用超过1000次，获Nature、Nature Nanotechnology等专题亮点评论18次。

李伟金教授简介：海外高层次引进人才（国家级青年计划），洪堡学者，福建省自然科学奖一等奖（排名第五）获得者，江苏省材料协会会员。主要从事无机-有机杂化材料及电（导电、介电等）、磁调控和发光显示调控。以第一或通讯作者发表NatureCommunications, Nature Review Materials和Advanced Materials等期刊论文>37篇，被引超过1500次。