首尔大学Nature：一石二鸟，实现超亮钙钛矿发光二极管

NSCD 1年前 (2022-11-28) 1743浏览

  • 【导读】

铅基卤素钙钛矿材料具有优异的光学性能，是实现高效发光二极管的不二选择。然而，提升基于钙钛矿的发光二极管的性能仍困难重重。其中，最大的挑战在于如何实现载流子限域以提升发光效率的同时保持良好的电荷输运能力。这是获得高流明、高效率、长寿命钙钛矿发光二极管的关键。

  • 【成果掠影】

近日，首尔大学 Tae-Woo Lee团队在Nature发表了新的研究论文，通过配体与三维大尺寸钙钛矿晶体间的原位反应，成功获得了尺寸在10 nm具有强载流子限域效应的核壳结构钙钛矿纳米晶。利用配体（苄基磷酸，BPA）与晶体表面的缺陷配位，将大晶粒（~205 nm）分裂为纳米晶，从而实现了对载流子的限域。同时，BPA与晶体表面欠配位的Pb原子形成共价键从而大幅降低了缺陷密度，进一步提升了发光效率。在全部反应过程中，避免了长链绝缘性配体的引入，从而保证了良好的电荷输运特性。该策略完美的实现了强载流子限域和高效电荷输运的结合。进一步的测试表明，基于该核壳结构纳米晶所制备的发光二极管在相应测试条件下可分别实现28.9%的外量子效率和高达473990 cd m−2的亮度。优秀的电荷输运特性大幅降低了驱动电压。相比未作处理的钙钛矿薄膜发光二极管，基于核壳结构钙钛矿的发光二极管的T50（效率降至初始效率的50%所对应的时间：14小时@10000 cd m−2）大大延长。

相关研究文章以“Ultra-bright, efficient and stable perovskite light-emitting diodes”为题发表在Nature上。

  • 【核心创新点】

通过短链配体对大尺寸钙钛矿晶粒的原位分裂以获得纳米晶，同时实现了强载流子限域和高的电荷输运特性。

  • 【数据概览】

图1.BPA原位处理过程中逐渐出现钙钛矿核壳结构。(a) 原位反应生成核壳钙钛矿纳米晶的示意图。(b-e)原位反应不同时间后生成核壳结构钙钛矿纳米晶的TEM照片 (b: 1 s, c: 10 s, d: 20 s, e: 30 s )。(f-h) b-d中所选区域的高分辨TEM照片。(i) e中所选区域的高分辨HAADF-STEM，可以看出在核壳结构中的钙钛矿和BPA间的界面。(j) 核壳结构中核心部分的原子分辨HAADF-STEM。(k) 核壳结构界面处的高分辨STEM。(i) k中A、B处的EEL谱 ©The Authors

图2.BPA配体对钙钛矿的表面包覆。(a) BPA中O1s芯能级的XPS能谱。(b) 原位钙钛矿颗粒中O1s芯能级的XPS能谱。(c) 原位核壳结构钙钛矿中O1s芯能级的XPS能谱。(d) 由UPS获得的初始三维钙钛矿、原位钙钛矿颗粒和原位核壳结构钙钛矿的能级图 ©The Authors

图3.BPA处理后的缺陷钝化及钙钛矿发光性能的演化。(a-b) 初始钙钛矿、原位钙钛矿颗粒和原位核壳结构钙钛矿的稳态和时间分辨光谱。(c-e) 不同温度下初始钙钛矿、原位钙钛矿颗粒和原位核壳结构钙钛矿的二维发射光谱 ©The Authors

图4.BPA处理后的钙钛矿发光二极管的电致发光特性。(a) 钙钛矿发光二极管的能级示意图。(b) 流明随驱动电压的变化。(c) 外量子效率随流明变化。(d) 40个钙钛矿发光二极管外量子效率的统计图。(e) 已报道的钙钛矿发光二极管的流明和外量子效率。(f) 工作中的大面积钙钛矿发光二极管。(g) 不同初始亮度下核壳结构钙钛矿发光二极管的流明随时间的变化。(h) 核壳钙钛矿发光二极管在加速老化测试中的半衰期随初始亮度的变化。(i) 已报道的钙钛矿发光二极管的外量子效率和半衰期 ©The Authors

  • 【成果启示】

综上，虽然钙钛矿材料目前仍难以像传统半导体那样构建由不同种半导体组成的无机异质核壳结构，但通过和有机配体的相互配合仍可达到甚至超越传统核壳结构的性能。本文为探索新的钙钛矿-有机配体指明了方向。

原文详情：Ultra-bright, efficient and stable perovskite light-emitting diodes, Nature, 2022,

DOI: 10.1038/s41586-022-05304-w

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