邓正涛课题组：“移山填海”——钙钛矿材料用于仿天然光健康照明

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蓝光发光二极管(LED)的发明，推动了当代照明和显示产业的发展，被授予2014年诺贝尔物理学奖。享有“第四代照明光源”美誉的固体白光LED，与传统白炽灯、荧光灯和高压气体放电灯相比，具有光效高、节能环保、寿命超长和安全可靠等优点，被认为是21世纪新一代的环保节能光源。2020年，我国的LED市场规模超过1000亿美元，LED已深入人类生活的各种场域，人们暴露于LED光环境中的比重甚至远超天然光。然而，相比于天然光，拥有诸多优点的LED却为人类健康带来了深刻隐患。
        目前，白光照明最普遍采用的方案仍是氮铟镓(InGaN)蓝光LED芯片(440-460 纳米)和YAG黄色荧光粉(520-700 纳米)产生白光照明。这种方案导致在440-460 nm范围内出现“蓝光溢出”，而在470-520 nm范围内则出现“青光缺失”（如图一所示）。近年来研究表明，过度暴露在440-460纳米的强烈蓝光下，会增加人眼的光学损伤，以及导致抑郁等心理问题。研究也表明，以478纳米为中心的“青光缺失”，则会影响人类的晨昏活动，生理活动节律，视杆细胞健康，并诱发近视。因此，最理想的人工光源是仿天然光，即由在380-780纳米区域的高效发光器件来构建波长分布均匀的白光。
         为实现下一代高质量“全光谱”固态白光照明，目前行业的难点是开发出高效吸收440 - 460 nm之间的“溢出蓝光”的材料。同时，开发出在470 - 520 nm之间发射青色的荧光材料来弥补“青光缺失”，对于健康照明也至关重要。此外，发射青色(470-520 nm)的物质对水下通信特别重要，因为在这一波长范围内的光在水中的衰减比其他波长小得多。因此，开发一种能“移山填海”，即同时解决“蓝光溢出”和“青光缺失”这两大行业痛点的仿天然光的“全光谱”照明灯具意义重大。
南京大学现代工程与应用科学学院邓正涛教授团队多年来一直致力于新型钙钛矿量子点材料的基础研究和产业化应用。特别是在白光LED方向，针对发光材料在实际应用中的瓶颈问题，在提升材料的性能和稳定性方面取得了新进展，如：J. Phys. Chem. Lett. 2023,14, 2006；Nanoscale.2023, 15, 1661；Chem. Eur. J. 2023, 29, e202202675。在本工作中，该团队采用季铵作为单一配体，合成了一系列明亮且稳定的聚合物包封的锌掺杂铯铅氯溴钙钛矿量子点材料，可以实现在440-460纳米蓝光范围内高效吸收，在470-520 nm青光范围内高效发射。同时，该材料制备的波长转换光学膜表现出良好的耐强光辐照、耐水氧和耐高温稳定性，成本也较为低廉。该团队采用该种光学膜构建的370纳米紫外芯片激发白光器件和455纳米蓝光芯片激发白光器件，都显示出白光的均匀分布和低亮度损耗，说明该种光谱转化膜可以有效解决目前照明灯具中“蓝光溢出”和“青光缺失”这两大瓶颈问题。该团队希望本研究能够为基于钙钛矿量子点材料的波长转换光学膜在下一代“全光谱”仿天然光照明的应用奠定基础。
        相关成果于2023年3月4日以“Polymer-Encapsulated Halide Perovskite Color Converters to Overcome Blue Overshoot and Cyan Gap of White Light-Emitting Diodes”为题在国际知名材料学期刊《Advanced Functional Materials》杂志（影响因子：19.924）上在线发表。

图一：《Advanced Functional Materials》的扫描透射电子显微镜照片，一系列青光发射量子点样品的光谱图和光学膜片样品的荧光照片，典型蓝光LED激发白光灯具的发射光谱图，以及使用青光转换光学膜后的白光灯具发射光谱图，以及天然光光谱图。从上可见，使用光学膜后的灯具的发射光谱呈现平滑均匀连续分布的白光，没有出现“蓝光溢出”和“青光缺失”，接近天然光。

        南京大学现代工程与应用科学学院为论文通讯单位；现代工程与应用科学学院的邓正涛教授为论文通讯作者。该工作得到了国家自然科学基金（22075129）和南京大学技术开发项目(2022200996, 2021200077)支持。
         论文的链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202300583
         文章来源：南京大学
        邓正涛，南京大学教授，博士生导师。2014年和2016年分别入选江苏“双创人才“计划。2012至2014年在美国麻省理工学院(MIT)，2007至2012年在美国亚利桑那大学(UA)和亚利桑那州立大学(ASU)，2002至2007年在中国科学院(CAS)，从事发光量子点材料相关科研工作。已在包括Science, Nature Mater., Nature Nano., JACS, Angew. Chem., Nano Lett., ACS Nano, Chem. Mater., Chem. Sci.  等国际学术刊物上发表论文60余篇。论文总引用数超过5000次，H-index 为33 (Google scholar)。论文分别被Nature, Science, Nature Nano., JACS 等刊物作为研究亮点，以及BBC, Wired, Discover, Phys.org，rsc.org等媒体报道。申请了5项国际专利及10余项中国专利。