西安交大吳朝新ACS Energy Letters: 調制“雞尾酒”式的多重陽離子鈣鈦礦實現高效且高穩定的藍光二極管

稀、飯 4年前 (2020-03-19) 3492瀏覽

【引言】

藍光材料及其發光二極管在照明和顯示中起著至關重要的作用。近年來，得益于其低成本、光譜易調諧、高載流子遷移率及高熒光量子效率等優勢，基于鈣鈦礦材料的發光二極管（PeLED）由于高發光效率成為國際研究熱點。目前，綠光、紅光及紅外光波段PeLED器件的外量子效率（EQE）均超過20%。相比來說，藍光PeLED研究卻進展緩慢，成果寥寥。作為白光三原色之一，與綠光和紅光相比，藍光二極管已被證明是最具挑戰性的。藍光PeLED器件性能低下的主要原因是藍光鈣鈦礦材料成膜質量差（薄膜不連續、輻射效率低、材料不穩定等）以及器件結構設計不合理（能級不匹配、載流子有效注入差及漏電流大）。目前為止，大量工作通過離子摻雜、界面工程及維度調控等方式實現了藍光PeLED器件性能的提升。然而，兼具高效且穩定的藍光PeLED器件的實現仍具挑戰。

【研究內容】

針對以上藍光PeLED器件中存在的問題，吳朝新教授團隊采用調制“雞尾酒”的方式，在無機鈣鈦礦CsPb(Cl/Br)3?中引入多重陽離子Rb/FA/PEA/K，協同作用，各司其職，解決藍光鈣鈦礦材料固有缺點（輻射復合效率低及穩定性差等）的同時，通過離子誘導結晶改善成膜質量，制備出兼具高熒光量子效率（~17.1%）、高平整度及高穩定性的多重陽離子鈣鈦礦(Cs/Rb/FA/PEA/K)Pb(Cl/Br)3薄膜；結合課題組提出的“絕緣層-鈣鈦礦-絕緣層”結構，即將鈣鈦礦薄膜置于兩層超薄絕緣層LiF之間，通過載流子隧穿效應，誘導載流子進入鈣鈦礦晶體內實現有效輻射復合，該結構能夠有效減少針孔引起的漏電流，抑制激子淬滅。最終，基于多重陽離子鈣鈦礦薄膜的藍光PeLED器件在電致發光波長484 nm處實現了最大發光亮度4015 cd/m2，最大EQE為2.01%的出色性能。最為重要地是，該器件表現出優異的工作穩定性，其連續工作狀態下的半衰壽命超過300 min。這項工作表明多重陽離子調控策略為新型發光材料的設計開辟了新的途徑。同時，多重陽離子調控與“絕緣層-鈣鈦礦-絕緣層”結構的強強聯合，為未來設計兼具高效且高穩定的藍光PeLED器件提供了一個具有參考價值的新策略。

該項研究工作以題目為“A Cocktail of Multiple Cations in Inorganic Halide Perovskite toward Efficient and Highly Stable Blue Light-Emitting Diodes”近期發表于國際期刊ACS Energy Letters?5, 1062-1069 (2020）（影響因子 16.331）。第一作者為課題組專職科研博士后袁方博士，吳朝新教授為通訊作者，西安交通大學為第一作者單位和唯一通訊作者單位。該工作得到自然科學基金委項目（編號61904145、61505161和11574248）、博士后面上項目、中央高校基本業務費等項目的支持。

西安交通大學吳朝新教授團隊長期研究新型功能材料的“光-電”與“電-光”物理機制及其器件應用如太陽能電池與發光二極管，近期有多項重要成果發表于國際頂級期刊：Joule，Advanced Materials, Angewandte Chemie International Edition, ?Advanced Functional Materials, ACS Energy Letters, Nano Energy等，更多研究內容可參見吳朝新教授課題組主頁：http://zhaoxinwu.gr.xjtu.edu.cn

【圖文導讀】

圖一. 多重陽離子鈣鈦礦薄膜制備流程及其光學特性

?

（a）多重陽離子鈣鈦礦薄膜沉積過程示意圖；

（b）鈣鈦礦CsPb(Cl/Br)3晶格結構圖；

（c）鈣鈦礦CsPb(Cl/Br)3中摻雜不同陽離子后的薄膜在380 nm紫外光照射下的發光照片；

（d）多重陽離子鈣鈦礦薄膜的熒光光譜。

?圖二. 雙重陽離子鈣鈦礦薄膜形貌、晶型及光學特性表征

（a） 鈣鈦礦CsPb(Cl/Br)3薄膜SEM圖；

（b）鈣鈦礦(Cs/Rb)Pb(Cl/Br)3薄膜SEM圖；

（c）鈣鈦礦(Cs/K)Pb(Cl/Br)3薄膜SEM圖；

（d）鈣鈦礦(Cs/FA)Pb(Cl/Br)3薄膜SEM圖；

（e）鈣鈦礦(Cs/PEA)Pb(Cl/Br)3薄膜SEM圖；

（f，g）鈣鈦礦薄膜XRD衍射圖譜；

（h）鈣鈦礦CsPb(Cl/Br)3薄膜GIWAXS圖譜；

（i）鈣鈦礦(Cs/Rb)Pb(Cl/Br)3薄膜GIWAXS圖譜；

（j）鈣鈦礦薄膜熒光光譜；

（k）鈣鈦礦薄膜熒光衰減曲線測試。

 

圖三. 多重陽離子鈣鈦礦薄膜形貌、晶型及光學特性表征

（a）鈣鈦礦(CsRb)Pb(Cl/Br)3薄膜SEM圖；

（b）鈣鈦礦(Cs/Rb/FA)Pb(Cl/Br)3薄膜SEM圖；

（c）鈣鈦礦(Cs/Rb/FA/PEA)Pb(Cl/Br)3薄膜SEM圖；

（d）鈣鈦礦(Cs/Rb/FA/PEA/K)Pb(Cl/Br)3薄膜SEM圖；

（e）鈣鈦礦薄膜XRD衍射圖譜；

（f）鈣鈦礦薄膜熒光光譜；

（g）鈣鈦礦薄膜熒光衰減曲線測試；

（h）鈣鈦礦薄膜在不同泵浦能量下的積分發光強度曲線。

圖四. 藍光PeLED器件結構、能級圖及器件性能

（a）藍光PeLED器件示意圖；

（b）藍光PeLED器件截面SEM圖；

（c）多重陽離子鈣鈦礦及器件能級結構圖，基于多重陽離子鈣鈦礦薄膜的器件；

（d）電流密度-電壓；

（e）亮度-電壓；

（f）EQE-電流密度；

（g）電流效率-電流密度曲線。

圖五. 不同器件CIE、穩定性、重復率及電致發光表征

（a）基于多重陽離子鈣鈦礦薄膜的PeLED器件CIE色度坐標圖；

（b）器件2與器件5的穩定性測試曲線；

（c）來自四個批次的10組器件5的最大亮度直方圖；

（d）器件5在不同電壓下的電致發光光譜，插圖為器件5工作時的照片。

論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsenergylett.9b02562

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