【研究背景】
随着光电器件在电子学、通信及显示技术中的应用不断拓展，范德瓦尔斯发光二极管（vdWLEDs）作为一种新型发光器件引起了广泛关注。这些器件基于层状材料的范德瓦尔斯集成，具有优异的可调性和集成能力，成为下一代片上光电应用的热门研究方向。vdWLEDs的核心概念在于利用过渡金属二硫化物（TMDCs）等材料的独特光电特性。然而，尽管在单光子发射、激子极化子观察和厘米级器件方面取得了显著进展，vdWLEDs的发光效率依然是一个亟待解决的问题。目前，这些器件的外部量子效率（EQE）在室温下仅能达到1%左右，远远低于其他光电器件的性能标准。
影响vdWLEDs EQE的因素主要包括电荷注入效率、辐射复合效率和光出射效率。这些因素受到电荷载流子的注入方式、激子复合方式以及光子逃离器件方式的影响。尤其是，基于TMDCs的vdWLEDs在高生成率下，活性材料的光致发光（PL）量子产率（QY）较低，导致其发光效率受到严重制约。尽管通过化学或电气掺杂和应变工程等手段可提高单层TMDCs的PLQY，但这些方法在提高LED的EQE方面效果不佳，甚至在某些情况下会导致电荷注入效率的降低。
为了克服上述问题，研究者们开始探索层状鲁德尔斯登-波普尔钙钛矿（RPPs）作为新型发光材料。RPPs因其固有的量子阱结构和可控的光电特性，显示出优越的激子动力学和高PLQY，尤其是在高生成率下，固有PLQY超过30%。此外，通过调节量子阱宽度或有机配体的成分，RPPs可以实现可调的发射波长。这些特性使得RPPs成为高性能LED的潜在材料，尽管基于纯单晶层状RPPs的微米级PeLEDs尚未得到广泛报道。
为了解决当前vdWLEDs在发光效率方面的瓶颈，东南大学倪振华教授（杰青）、复旦大学微电子学院副院长周鹏（杰青）以及东南大学吕俊鹏、南京师范大学刘宏微携手采用机械剥离的单晶RPP纳米片作为活性层，夹在两片少层石墨烯之间作为透明电极。通过这种结构，作者成功地实现了高于15%的室温EQE，显著提升了vdWLEDs的性能。作者认为，PeLEDs的优异表现主要归功于RPPs的量子阱结构、高PLQY和福勒-诺德海姆隧穿效应所促进的高效电荷注入。这一研究为vdWLEDs的发展提供了新的思路，也为下一代片上光电器件的应用奠定了基础。以上成果在“Science Advances”期刊上发表了题为“Van der Waals integrated single-junction light-emitting diodes exceeding 10% quantum efficiency at room temperature”的最新论文。
【科学亮点】
1）实验首次实现了基于范德瓦尔斯集成的层状鲁德尔斯登-波普尔钙钛矿（RPPs）的微米级发光二极管（PeLEDs），其在室温下的外部量子效率（EQE）超过15%，是当前所有范德瓦尔斯发光二极管（vdWLEDs）中最高的。
2）实验通过机械剥离法制备了单晶RPP纳米片，并将其夹在两片少层石墨烯（FLG）之间，作为透明电极，形成了一种新型的vdWLEDs。该器件展现出强电致发光（EL）发射，且在低开启电流密度下实现了高于10%的EQE，显示出优异的性能。
3）通过电气特性测试，研究表明，PeLEDs具有良好的电荷注入效率，其高效电荷注入是由福勒-诺德海姆（F-N）隧穿效应所促进。此外，RPPs的独特量子阱结构和在高生成率下超过30%的光致发光（PL）量子产率（QY）也为其优越性能提供了支持。
【图文解读】
本文通过多种表征手段深入探讨了基于单晶层状钙钛矿的微米级光电发光二极管（PeLEDs）的特性。利用透射电子显微镜（STEM）、X射线衍射（XRD）、以及紫外-可见光吸收光谱（UV-Vis），作者揭示了所制备的钙钛矿晶体的微观结构和光学特性。这些表征结果表明，所合成的层状钙钛矿具备高光致发光量子产率（PLQYs）和良好的光电特性，为高效光发射提供了有利条件。
针对PeLEDs中的高电流密度启动现象，作者通过电致发光（EL）特性研究，发现低达20 pA cm⁻²的启动电流密度与FLG/钙钛矿界面的费米能级对齐机制密切相关。结合微观机理分析，作者观察到在FLG/钙钛矿界面处约0.10 eV的低能量势垒，进一步促进了载流子的注入。这一现象的深入理解揭示了钙钛矿基光电器件的高效光发射机制，并为未来的器件设计提供了理论基础。
在此基础上，结合FDTD模拟和绝对光致发光量子产率（PLQY）测量，作者进一步验证了微观机理的有效性。通过与光学常数的比较，模拟结果表明，在所设计的FLG/钙钛矿/FLG结构中，能够显著提高光辐射效率，从而实现高效能量转化。这些实验结果不仅证明了作者构建的PeLEDs具备较高的外量子效率（EQE），还为深入理解层状材料的发光特性提供了重要数据支持。
图1：制造过程和器件结构示意图。
图2. n = 4的PeLEDs的电致发光（EL）表征。
图3: PeLEDs的电气行为和可调的电致发光（EL）发射。
【科学启迪】
本文的研究揭示了层状鲁德尔斯登-波普尔钙钛矿（RPPs）在范德瓦尔斯发光二极管（vdWLEDs）中的应用潜力，提供了对高性能光电器件的新思路。通过利用RPPs固有的量子阱结构，研究者成功地实现了超高的外部量子效率（EQE）超过15%，显著高于传统基于过渡金属二硫化物（TMDCs）的vdWLEDs。这一发现突显了RPPs在提升发光效率方面的独特优势，尤其是在高载流子生成率条件下，其光致发光（PL）量子产率（QY）超过30%。此外，采用福勒-诺德海姆（F-N）隧穿效应来提高电荷注入效率，为解决低发光效率问题提供了新的解决方案。该研究不仅推动了vdWLEDs的技术进步，还为未来在微型光电器件及片上集成应用中的发展指明了方向。
原文详情：
Zhenliang Hu et al.Van der Waals integrated single-junction light-emitting diodes exceeding 10% quantum efficiency at room temperature.Sci. Adv.10,eadp8045(2024).DOI:10.1126/sciadv.adp8045
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