深圳大学AFM报道: 基于卤化物钙钛矿和硫族化物量子点发射极的电压调制多色电致发光器件

【背景介绍】

电致发光（EL）器件是一种重要的固态光源，目前主要用于显示、照明和传感等领域。近年来，金属卤化物钙钛矿因其具有高光致发光（PL）量子产率、良好的载流子迁移率、优异的色纯度、可见色可调性和廉价的制备工艺等独特特性，具有非常大的潜力应用于EL器件领域。虽然通过改变钙钛矿材料中卤化物成分或调节几何尺寸可以实现对紫外到近红外的颜色调节，但是目前的钙钛矿LEDs都是只能发射单色光。然而，在我们的日常生活中，多色彩对于显示、装饰或颜色匹配是必不可少的。为了实现全彩色的应用，一个像素中必须使用红色（R）、绿色（G）和蓝色（B）三个独立的发光二极管显示单元。但是在溶液处理的LEDs中，横向或垂直地通过叠加三色发光二极管的制造过程复杂且耗时。因此，迫切需要在单个器件上制造一种能够通过电流或电压控制而发出多种颜色的显示技术。

之前，科学家已经尝试了制造基于有机发光二极管（OLED）的多色EL器件。颜色可调的OLED存在以下明显缺点：（a）颜色可调范围很窄；（b）由于有机发射体的宽带发射，导致色纯度不高；（c）堆叠结构中的复杂结构以及理想的正交溶剂的稀缺阻碍了溶液工艺的制造；（d）由于有机材料的较差的载流子迁移率，所以颜色转换时间较为较慢。

【成果简介】

基于此，深圳大学张建锋博士后（第一作者）及李贵君教授和徐平教授（共同通讯作者）报道了一种能够通过控制外部电压而让单个器件发出多种颜色光的显示技术。通过合理的设计能带结构调制和控制载流子的传输特性，制造出了基于无机卤化物钙钛矿和硫族化合物量子点的可控电压调制的多色电致发光（EL）器件。该器件具有宽广的色彩调整范围、高的色彩可逆性和超快的色彩切换能力。此外，作者还研究了电压调制多色发光的机理，并通过激子复合区随驱动电压的变化进行了解释。总之，该工作为制造具有高性价比、高分辨率、全彩显示器和以人为中心的照明设备提供了新的方法。该研究成果以题为“Voltage-Dependent Multicolor Electroluminescent Device Based on Halide Perovskite and Chalcogenide Quantum-Dots Emitters”发布在国际著名期刊Adv. Funct. Mater.上。

【图文解读】

图一、器件结构及其光学性能
（a）多色钙钛矿电致发光器件的示意图；

（b）具有多个发射层的器件能带结构；

（c）红色、绿色和蓝色发射层的吸收和PL光谱；

（d）单个发射层器件的EL光谱。

图二、电压控制的多色发射
（a-d）切换绿-蓝、红-绿和绿-红-蓝设备的EL光谱，以及它们在CIE图中的连续颜色变化；

（e）绿-蓝（G-B）、红-绿（R-G）器件的CTIs；

（f）在不同施加电压下的双色（G-R、G-B）和三色（G-R-B）设备的照片。

图三、色度调节机制
（a）红-绿器件在不同电压下的CE和μ_{red QDs}。

（b）在不同电压下，红色和绿色发射的电流产率；

（c）具有不同界面层器件的I₅₂₀/I₆₂₄值；

（d）具有不同红色QDs厚度器件的I₅₂₀/I₆₂₄值。

图四、色彩切换性能
具有不同钙钛矿发射层的红-绿色器件的I₅₂₀/I₆₂₄迟滞曲线。（a）CsPbBr₃：AVAB、（c）CsPbBr₃/TOPO和（e）CsPbBr₃：AVAB：K⁺/TOPO。 （b）、（d）和（f）是上述设备的相应CIE图。

图五、施加电压后的色彩切换性能
（a-b）施加的电压的波形图。0-6 V和2-6 V分别用于暗-绿光和红-绿的色彩切换；

（c, e, g））原始CsPbBr₃、CsPbBr₃：AVAB和CsPbBr₃：AVAB：K⁺/TOPO器件的暗-绿色切换的时间分辨EL图；

（d, f, h）原始CsPbBr₃、CsPbBr₃：AVAB和CsPbBr₃：AVAB：K⁺/ OPO器件的红绿色切换的时间分辨EL图。

【总结】

综上所述，作者展示了基于Cs基卤化物钙钛矿和硫族化物QDs的多层发射层的电压可控多色LEDs。可以在从红色到绿色（R-G）、绿色到蓝色（G-B）或红色到绿色到蓝色（R-G-B）的广泛颜色范围内调控颜色。通过控制主要复合区的移动，研究并解释了色度调节的机理。能带在导带和价带处的电势差以及不同发射层的载流子传输特性在颜色可调性中起着至关重要的作用。因此，通过对能带匹配和载流子传输的控制有助于合理设计颜色可调的EL器件。通过适当的体积和表面钝化，颜色可调器件具有良好的颜色可逆性和超快的颜色切换能力，为高分辨率连续显示、照明、传感和通信等高级应用提供了理论技术支持。

文献链接：Voltage-Dependent Multicolor Electroluminescent Device Based on Halide Perovskite and Chalcogenide Quantum-Dots Emitters（Adv. Funct. Mater.,2019, DOI:10.1002/adfm.201907074）

通讯作者简介

深圳大学李贵君教授课题组致力于多功能光电子器件、显示技术和光伏技术的研究，2019年来，在全无机量子点发光二极管（ACS Appl. Mater. Interfaces2019,11, 11119-11124）、多功能光电子器件（Adv. Funct. Mater.2019, 1807894）、钙钛矿圆偏振光源（Adv. Funct. Mater.2019, 1903155）方面取得了阶段性的成果。

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本文由CQR编译。

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