据中国激光杂志社网，于2023年11月29日报道， 随着新一代显示技术的发展，人们对具有更高色彩素质和更优能耗比的屏幕的需求愈发强烈。同时，随着消费水平的提升，人们对电子屏幕的发展充满了美好遐想，一块可随意弯折、并能穿戴在身上的屏幕足以令无数电子产品“发烧友”心驰神往。事实上，科学家们已经开始了柔性光电子设备的研发工作，并初步得到了满足上述需求的答案——柔性钙钛矿发光二极管(FPeLEDs)。
那么FPeLEDs的研究进展究竟如何呢？南京工业大学黄维院士团队以“柔性钙钛矿发光二极管研究进展”为题，在《光学学报》2023年第21期上发表了一篇万字长文，并被选为本期的亮点文章。该综述全面系统且细致地综述了该领域面临的技术问题及最新进展，并对未来发展进行了展望。
1.研究背景：可穿戴显示器件赛道“佼佼者”的诞生
钙钛矿最初是指自然界中的一种天然矿石材料——钛酸钙，后来泛指与钛酸钙具有相似ABX3结构的材料。因兼具有机和无机半导体优势，其作为电致发光材料在发光二极管领域中备受关注。自2014年首个室温电致发光钙钛矿二极管（PeLEDs）问世以来，近红外、红光、绿光领域的外量子效率（EQE）均已超过了20%。然而，传统刚性基板的PeLEDs无法满足现在社会对柔性显示及可穿戴电子设备的发展需求，因此开发出具有机械柔性、轻便可穿戴的柔性钙钛矿发光二极管(FPeLEDs)是目前亟需解决的问题。
钙钛矿材料本身具备较好的柔性及延展性，因此FPeLEDs器件的制备相较于传统刚性PeLEDs而言，仅需选择柔性材料的基板和电极即可 [图2 (a)~(c)]。如图2 (d)所示， FPeLEDs器件的柔性往往由应力作用下的弯曲半径 (R) 来衡量：在相同弯曲次数下，器件弯曲半径越小，性能参数变化越小，则器件机械性能越稳定。
黄维院士团队的综述首先对卤化物钙钛矿的基本光电性能进行了简要介绍，并总结了柔性衬底和柔性电极的类型；然后，重点介绍了FPeLEDs 的制膜工艺和性能优化方法，并概述了在界面和能级调控方面取得的主要研究进展；最后，展望了FPeLEDs 未来的主要研究方向，为该领域的发展提出了可行性建议。
2. 研究进展：科学与工程的“马拉松”
自FPeLEDs器件诞生伊始，对其工作性能的优化设计，便成为了一场吸引众多科研工作者参赛的“马拉松”。在广泛的研究过程中，有无数新奇的结构设计及材料制备手段被提出，这也使得高性能FPeLEDs器件的研制过程成为了科学研究与工程方法交叉融合的中心。下面将对柔性钙钛矿发光二极管中各功能层的研究进展进行介绍，包括柔性基板、柔性电极、钙钛矿发光层和界面工程等。
1）柔性基板
柔性基板的选择需要兼顾柔韧性、透光率和稳定性等因素，它对柔性器件的光伏性能起着关键的作用——沉积在其上的钙钛矿薄膜会受到其物理及化学性质作用的影响导致器件发光状态出现波动。在目前主流的设计方案中，研究人员更倾向于选择透明聚合物、金属箔和柔性玻璃等材料，作为柔性基板的基材备选，三者各自具备独特的应用优势，但也存在一定的技术缺陷。近年来，研究人员在塑料基材难降解、金属箔漏电和柔性玻璃曲率半径大等问题上均进行了许多创新性的探索。
2）柔性电极
柔性电极的选择与基板类似，也需要重点考虑机械柔性，传统电极往往需要高温沉积，这一点与柔性基板的需求截然相反。在这一背景下，研究人员开发出了多种新型柔性电极材料，包括机械柔性较好的金属电极、碳电极和导电聚合物电极等。同样地，不同柔性电极材料有着不同的作用与优势，为进一步提升各材料的性能优势，研究人员就金属电极与基底间的匹配、金属纳米线稳定性的提升、碳电极导电性的优化、新型导电聚合物的探索和复合电极的研制等问题，进行了细致严谨的探究工作。
3）钙钛矿发光层
钙钛矿发光层的薄膜质量是器件发光性能表现的核心所在，良好的薄膜形貌和均匀的晶粒尺寸是实现高性能器件的先决条件，而二者均受钙钛矿薄膜制备方法、添加剂工程与界面工程的影响。在薄膜制备工艺方面，常见的制备工艺包括旋涂法、双源热蒸发法、喷墨打印法、刮涂法和丝网印刷法等。近年来，研究人员通过优化工艺流程，开发全新材料体系，利用上述制备方法均制备出了较好的成品器件，获得了全新的参数记录。进一步地，研究人员对薄膜性能优化方法进行了更加深入的探究，针对薄膜形貌及结构调控、量子点策略、钙钛矿层损伤后自我修复和FPeLEDs中电荷注入及传输不平衡等具体问题进行了不同方面的创新优化，为高质量发光层的设计构建提供了新的思路与方案。
3. 总结与展望
从钙钛矿材料出发，全面介绍了FPeLEDs 的器件结构和工作原理，讨论了柔性基板、电极、发光层和界面能级调控等对器件柔性、稳定性和效率等方面的影响，总结了对各功能层性能提升所采用的优化策略和相关研究进展。
FPeLEDs在可穿戴及照明显示领域展现出了惊人的发展潜力，较强的兼容性及较低的成本使其成为了未来先进发光器件的代名词。然而，其在实际应用中仍存在很多挑战。FPeLEDs在弯曲及扭曲等变形状态下出现的薄膜受损、载流子传输损失和发光效率下降等问题依旧十分严峻，未来还应继续在FPeLEDs各功能层的设计及制备方面深耕，力图达到柔性与光电特性之间的平衡，提高器件性能及稳定性，进而推动其在可穿戴技术、智能电子等领域中的实际应用。
通信作者简介
黄维，中国科学院院士，南京工业大学柔性电子（未来技术）学院/先进材料研究院学科带头人。俄罗斯科学院外籍院士、美国国家工程院外籍院士。有机电子、塑料电子、生物电子、印刷电子、能源电子、健康电子、智能电子和柔性电子学家，有机电子与信息显示国家重点实验室主任，柔性电子国家重点实验室培育建设点主任，国家柔性电子基础（前沿）科学中心首席科学家。国家重要计划特聘专家，教育部“国家重要人才”特聘教授，国家“杰出青年科学基金”获得者，国家“973”项目首席科学家，国家重点研发计划首席科学家，国家变革性技术专项首席科学家。英国皇家化学会会士、美国光学学会会士、国际光学工程学会会士、新加坡化学会会士。获得2项国家自然科学奖二等奖、4项高等学校科学研究优秀成果奖（科学技术）自然科学奖一等奖、1项何梁何利基金“科技进步奖”、6项江苏省科学技术奖和2项中国电子学会自然科学奖一等奖，成果2次入围“中国高等学校十大科技进展”和“中国半导体十大研究进展”等。
陈永华，南京工业大学教授、博士生导师，院长。长期围绕有机及钙钛矿能源光电子的关键科学问题，开展钙钛矿光电材料与器件相关研究。入选第六批江苏特聘教授和江苏省“六大人才高峰”，获海外高层次人才青年项目、江苏省杰出青年基金等项目支持。担任Journal of Semiconductors青年编委等。主持多项国家级、省部级和企业横向项目。近年来，共发表SCI论文180余篇，他引10000余次，h因子55。近5年，以通信作者发表论文80余篇，包括Nature、Science、Nature Energy和Nature Photonics等，2篇论文入选2021年“中国百篇最具影响国际学术论文”。申请/授权中国专利50余项、美国专利2项。受邀撰写1部英文专著和英文专著3个章节。获2023年度“中国石油和化工联合会青年科技突出贡献奖”，成果入选2021年度“中国高等学校十大科技进展”和2021年度“中国半导体十大研究进展”。
