曾海波最新Adv. Mater. 通過控制配體密度得到具有極高外量子效率的純無機鈣鈦礦發光二極管（QLEDs）

【引言】

眾所周知，有機-無機混合鈣鈦礦CH₃NH₃PbBr₃ （MAPbBr₃）發光二極管（LEDs）的外量子效率僅僅在一年之內就由最初0.76%猛增到8.53%。相比之下，純無機鈣鈦礦材料CsPbX₃ （X = Cl, Br, I）被證實在空氣中室溫條件下具有很好的穩定性，且不需要惰性氣體保護。此外，無機鈣鈦礦材料還具有很高的光致發光（PL）量子產率（QYs）。因此，純無機鈣鈦礦量子點發光二極管（QLEDs）應該具有更高的電致發光（EL）效率和亮度。然而，盡管無機鈣鈦礦材料具有如此多的優點，但是過低的量子效率卻阻礙了其進一步發展。除去優化器件的結構，量子點的表面狀態也是影響QLED性能的重要因素。附著在量子點表面的配體一方面可以使其鈍化，保持穩定；另一方面，過多的表面配體也會形成絕緣層阻礙電荷的注入。所以，要得到具有穩定性、量子產率和電荷注入效率都很高的QLED，就需要對其表面狀況進行深入系統的研究，而這是極具挑戰性的。

【成果簡介】

近日，來自南京理工大學納米光電材料研究所、新型顯示材料與器件工信部重點實驗室的曾海波教授、宋繼中副教授（共同通訊作者）報道了一種通過配體密度控制來平衡量子點的表面鈍化和電荷注入的思路，并將其應用到了高效CsPbBr₃ QLED中。

實驗中首次使用己烷/乙酸乙酯混合溶劑來達到控制量子點表面配體密度的目的。并用多種表征方法對CsPbBr3量子點、薄膜以及器件的純化過程進行了詳細地研究。在合適的處理過程后，量子點的穩定性、光致發光量子產率（PL QYs）、薄膜的均一性及其微結構都得到了最大程度的保留。結果表明，相比用丙酮一次處理的量子點，使用新方法處理后的量子點制作的QLED的量子效率提高了50倍，達到6.27%；其電流密度提高了30倍，達到了13.3 cd/A，這說明由于表面配體密度的調控，電荷的注入效率得到極大提升。這種研究思路為提高無機鈣鈦礦發光二極管效率提供了一種直接、有效的方法。

【圖文導讀】

圖1 表面配體控制示意圖及量子點的NMR、XPS和FTIR表征

（a）表面配體控制（SLDC）圖

（b）CsPbBr3量子點在不同己烷/乙酸乙酯循環處理后的NMR全譜

（c）CsPbBr3量子點在不同己烷/乙酸乙酯循環處理后的NMR放大譜

（d）CsPbBr3量子點中的碳百分含量

（e）CsPbBr3量子點在不同循環處理后的FTIR譜圖

圖2 通過表面配體密度控制后量子點墨水穩定性、光致發光（PL）強度、薄膜的均一性及微結構的變化

（a）不同循環處理后量子點在UV照射前后的照片

（b）不同循環處理后的量子點形成的薄膜在UV照射下的照片

（c）多次循環處理后薄膜的SEM圖

（d）不同循環處理后量子點的TEM圖

圖3 表面配體密度控制（SLDC）后光致發光和載流子注入的變化

（a）不同純化過程后量子點的光致發光（PL）量子產率（QY）

（b）量子點的光致發光（PL）譜

（c）量子點薄膜的光致發光（PL）衰減譜

（d）僅有電子作為載流子時的能帶分布和電流密度-電壓特性（J-V）

（e）僅有空穴作為載流子時的能帶分布和電流密度-電壓特性（J-V）

（f）經過不同純化循環過程后的QLED器件的能帶分布和電流密度-電壓特性（J-V）

圖4 通過表面配體密度控制優化QLED的性能

（a）QLED器件的結構示意圖及其截面的TEM圖

（b）進過兩次純化循環的量子點器件的歸一化電致發光（EL）譜和光致發光（PL）譜

（c）不同純化循環后的量子點器件的發光強度-驅動電壓圖

（d）不同純化循環后的量子點器件的電流效率-電流密度圖

（e）不同純化循環后的量子點器件的外量子效率-發光強度圖

圖5 不同空穴傳輸層和純化溶劑對器件性能的影響

（a）器件結構的優化圖

（b）相應器件結構優化條件下的電流密度和外量子效率

（c）純化溶劑對器件性能的優化圖

（d）不同純化溶劑處理后器件的電流密度和外量子效率

表1 不同條件下CsPbBr3基LED的性能

表2 文獻中鈣鈦礦基LED的性能總結

文獻鏈接：50-Fold EQE Improvement up to 6.27% of Solution-Processed All-Inorganic Perovskite CsPbBr3 QLEDs via Surface Ligand Density Control (Adv. Mater.，2016, DOI: 10.1002/adma.201603885)

本文由材料人電子電工學術組大城小愛供稿，材料牛整理編輯。

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