浙大金一政&叶志镇院士Sci Adv：基于钙钛矿纳米片构建高性能LEDs

【引言】

研究表明，通过溶液处理的平面钙钛矿发光二极管（LED）为高性能和经济有效的电致发光器件，大面积显示器和发光应用提供了可能性。利用具有高比例跃迁偶极矩（TDMs）的发射层，有望提高平面LED的光耦合。然而，基于各向异性钙钛矿纳米发光材料的LED，由于难以同时控制TDM的方向，实现高光致发光量子产率（PLQYs），难以在组装的纳米结构薄膜中实现高光致发光量子效（EQE<5%）。金属卤化物钙钛矿是一类新兴的溶液处理半导体，具有独特的性质，如高光致发光量子产率（PLQYs）和可调发射波长。自2014年首次报道室温下运行的钙钛矿LEDs（PeLEDs）以来，在器件效率方面取得了显著进展。同时注意到这些最先进的PeLEDs是基于具有各向同性TDMs的薄膜。提高水平定向TDMs的比例有望进一步提高光的外耦合，并提高PeLEDs的外部量子效率（EQEs）的上限。

近日，浙江大学金一政研究员联合叶志镇院士（共同通讯作者）报告了一种原位生长的各向异性钙钛矿薄膜的高效LED，同时展示了高水平TDM和高PLQY的效率。在这种钙钛矿纳米片材料中，具有~84%的高面内TDM 比，使得LED的光耦合效率为~31%。相比之下，在相同的器件结构中使用各向同性器件（TDM比率为67%）会将光提取效率限制为~23%。此外，作者发现通过将溴化锂 (LiBr) 引入前驱体溶液中，钙钛矿薄膜的PLQY可以提高到75%以上。这些共同努力使PeLED的EQE达到创纪录的23.6%，这是PeLED中的最高值。相关研究成果以“Efficient light-emitting diodes based on oriented perovskite nanoplatelets”为题发表在Sci. Adv.上。

【图文导读】

图一、原位形成的钙钛矿纳米片膜的结构表征

（A）横截面STEM-HAADF图像显示出连续且无孔的钙钛矿层；

（B）放大的STEM-HAADF图像显示钙钛矿纳米片的局部结构；

（C） 典型高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）图像；

（D）尺寸分布的统计图；

（E）广角X射线散射。

图二、钙钛矿纳米膜的光学特性

（A）吸收和PL光谱；

（B）与激发强度相关的PLQY；

图三、钙钛矿纳米片薄膜的TDM

（A）石英/TFB/PVK衬底上钙钛矿薄膜的角度与PL的关系；

（B）钙钛矿薄膜的BFP图像；

（C）沿BFP图像中的虚线切割的p极化线（灰线）；

图四、基于钙钛矿纳米片薄膜LED的器件表征

（A）EL光谱；

（B）EL强度随角性分布的变化；

（C）器件的电流密度-亮度-电压特性；

（D）器件EQE与电压关系；

（E）来自36个器件EQE的直方图；

（F）模拟结果的等高线图。

【小结】

综上所述，本文展示了控制钙钛矿薄膜的TDM方向克服了具有各向同性期间LED的光输出耦合限制，使得LED具有高达23.6%的EQE。考虑到钙钛矿材料的化学多功能性，本文原位生长纳米片薄膜的简便方法很容易扩展到具有高EQE的不同颜色LED的制造。此外，本文的工作代表了一种简单而有效的方法，利用纳米结构的各向异性光学性质提供性能。

文献链接：“Efficient light-emitting diodes based on oriented perovskite nanoplatelets”(Sci. Adv.，2021，10.1126/sciadv.abg8458)

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