斯坦福大學的研究人員通過調整一種更便宜、更容易製造的發光二極管（perovskite LED）的材料構成，實現了亮度和效率的飛躍–但他們的燈在使用幾分鐘後就熄滅了。您正在閱讀的屏幕之所以能發光，很有可能是得益於發光二極管（俗稱LED）。這種廣泛應用的技術提供了節能的室內照明，並越來越多地照亮我們的電腦顯示器、電視和智能手機屏幕。遺憾的是，它也需要一個相對費力和昂貴的製造過程。

當研究人員用紫外線照射時，Congreve 實驗室中的八塊綠色過氧化物發光二極管基板會發光。圖片來源：Sebastian Fernández / 斯坦福大學

斯坦福大學對經濟高效照明的追求

斯坦福大學的研究人員希望解決這一缺陷，他們測試了一種提高過氧化物發光二極管（或稱PeLED）亮度和效率的方法，PeLED 是一種更便宜、更容易製造的替代品。然而，他們的改進卻導致這些燈在幾分鐘內就熄滅了，這表明要想推動這一類材料的發展，必須仔細權衡利弊。

“我們在理解它為什麼會退化方面邁出了一大步。問題是，我們能否找到一種方法，在保持效率的同時減輕這種退化？”本月初發表在《設備》（Device）雜誌上的這篇論文的資深作者、電氣工程助理教授丹-康格里夫（Dan Congreve）說。”如果我們能做到這一點，我想我們就能真正開始為可行的商業解決方案而努力”。

康格里夫實驗室中的八個綠色錳摻雜包晶發光二極管在研究人員通過電流時發光。圖片來源：Sebastian Fernández / 斯坦福大學

透鏡LED 的與眾不同之處

最簡單地說，LED 通過電流穿過半導體（在外加電場作用下發光的晶體材料層）將電能轉化為光。但與白熾燈和熒光燈等能效較低的燈相比，製造這些半導體既複雜又昂貴。

康格里夫實驗室的博士生、本文第一作者塞巴斯蒂安-費爾南德斯（Sebastian Fernández）說：”這些材料很多都生長在昂貴的表面上，比如四英寸的藍寶石襯底。光是購買這種襯底就需要幾百美元。”

PeLED 使用一種被稱為金屬鹵化物包晶的半導體，由不同元素混合組成。工程師可以在玻璃基板上生長過氧化物晶體，從而比普通LED 節省一大筆費用。他們還可以將透輝石溶解在溶液中，然後將其”塗抹”到玻璃上，形成發光層，這種生產工藝比普通LED 更簡單。

透鏡LED 的應用和局限性

這些優點可以使更多的建築環境採用節能室內照明，從而減少能源需求。PeLED 還能提高智能手機和電視顯示屏的色彩純度。”綠色更綠，藍色更藍，”Congreve 說。”你可以從設備上看到更多的顏色。”

然而，目前大多數PeLED 在使用幾個小時後就會失效。而且它們的能效往往無法與標準LED 相提並論，這是因為被稱為”缺陷”的透輝石原子結構中存在隨機間隙。”Congreve解釋說：”這裡應該有一個原子，但卻沒有。能量進去了，但光卻出不來，這就損害了設備的整體效率。”

亮度與壽命

為了緩解這些問題，費爾南德斯採用了康格里夫和密西西比州立大學化學系助理教授馬赫什-甘吉謝蒂（Mahesh Gangishetty）首次提出的一項技術。過氧化物中許多浪費能量的空隙都出現在鉛原子應該出現的地方。通過用錳原子代替30% 的透輝石鉛（錳原子有助於填補這些空隙），研究小組將PeLED 的亮度提高了一倍多，效率幾乎提高了兩倍，壽命也從不到一分鐘延長到了37 分鐘。

這項技術還有可能降低健康風險。費爾南德斯說：”鉛對這種材料的光發射極為重要，但與此同時，眾所周知鉛是有毒的。鉛對這種材料中的光發射極為重要，但同時，鉛也是眾所周知的有毒物質。”人們對有毒的商業技術持懷疑態度，這也促使我考慮其他材料。”

進一步發展與挑戰

但費爾南德斯更進一步，將一種名為TFPPO 的氧化膦混入了過氧化物中。他說：”我加入這種添加劑後，看到效率直線上升。這種添加劑使燈具的能效比只添加了錳的燈具高出五倍，並發出了迄今為止所有PeLED 燈具中最明亮的光芒。 “

但這也帶來了一個不利因素：在短短的兩分半鐘內，這些燈的亮度就褪到了峰值的一半（另一方面，沒有經過TFPPO 處理的過氧化物則是能保持燈的亮度的版本）。