Adv.Mater.：一種高效的紅光LED-基于濕法加工的多量子阱鈣鈦礦材料

【引言】

有機金屬鹵化物鈣鈦礦發光二極管 (PeLEDs)，憑借其在濕法加工、低成本顯示、適配光源等領域的潛力，成為當今研究的熱點。但要獲得高效率的PeLEDs，需要制備出具有統一形貌的高效率發射薄層，這至今仍是一個挑戰。傳統基于三維鈣鈦礦材料的LED的效率受限于發射層中由缺陷和針孔形成的非輻射損失通道。二維鈣鈦礦材料具有極好形貌，是自然形成的量子阱，然而以前的研究表明，由于二維鈣鈦礦材料中激子和聲子的強相互作用很強，其室溫下的光致發光效率很低。最近的研究表明具有能量串級多量子阱結構的二維PeLEDs的光致發光效率能得到顯著的提高，其之所以有這么高的光致發光效率是因為能量能夠快速地從寬帶隙的量子阱轉移到有效輻射衰變發生的窄帶隙量子阱。而且基于多量子阱的PeLEDs在近紅外區域外量子效率高達11.7%，其在可見光區域能否有類似的高性能也是現在的一個研究熱點。對于發射可見光的PeLEDs，基于三維的CH₃NH₃PbBr₃薄膜就可以就實現高效的綠光發生，但是紅光三維有機金屬鹵化物鈣鈦礦發光二極管的外量子效率只有0.2%，這是由于I-Br混合鈣鈦礦薄膜的鹵化物相分離引起的發射層光激發光量子效率過低。有研究表明基于CsPbI3納米晶體的LED具有5.7%外量子效率和206 cd m?2最大亮度，展示出了利用量子限制效應制備高性能紅光PeLEDs的潛力，但其制備過于復雜，這不僅耗時，而且大大限制了其的大規模生產。

【成果簡介】

近日，來自南京工業大學的黃維和王建浦（共同通訊作者）用一種簡單可擴展的方法成功制備出了純紅光高效鈣鈦礦發光器件，大大推動了有機金屬鹵化物鈣鈦礦發光二極管的應用。

研究人員把無機小陽離子Cs引入到多量子阱結構的鈣鈦礦薄膜中，從而制備出純紅光高效鈣鈦礦發光器件。多量子勢阱結構不僅有利于立方CsPbBr₃鈣鈦礦結構在低溫下的建立，還能夠讓Cs基多量子勢阱提供純凈穩定的紅色電致發光。這種通用的制備多量子勢阱鈣鈦礦材料的方法，能夠讓控制發射層的結晶度和形貌有很高的自由度。器件中包含的氯化物能進一步提高Cs基鈣鈦礦多量子勢阱的結晶度和光學性能，讓器件具有低的開關電壓（2v）, 高的外量子效率（最大3.7%），高的亮度（4v電壓下約為440 cd m^?2）。這些性能測試結果顯示Cs基鈣鈦礦多量子勢阱LED是性能最優的紅光鈣鈦礦LED。而且該鈣鈦礦LED具有創紀錄的穩定性，在10 mA cm^?2恒定電流密度下器件的壽命超過5個小時。

研究人員的相關工作顯示多量子勢阱鈣鈦礦材料在用大規模生產制備出可見光范圍高性能LED上具有巨大潛力，這對低成本照明和顯示領域有巨大吸引力。

【圖文導讀】

圖1 ?鈣鈦礦多量子勢阱薄膜

（a）NCPI₇ 和 NCPI₆Cl多量子勢阱薄膜高度方向AFM形貌圖。

（b）(NMA)₂PbI₄、NCPI₇和 NCPI₆Cl薄膜的XRD圖譜。

圖2 ?NCPI₇ 和 NCPI₆Cl 薄膜的光性能

（a）石英襯底上NCPI₇多量子勢阱薄膜吸收光譜和光致發光光譜（激發光波長為445nm）,其中光致發光譜被對數標尺規范化（藍線），光致發光譜被直線標尺規范化（紅色虛線）。

（b）不同發射能量條件下，NCPI₇多量子勢阱薄膜光致發光激發譜。

（c）不同發射能量條件下，NCPI₇多量子勢阱薄膜時間解析的光致發光衰減順變譜，發射的光子能量越低就說明光致發光衰減時間就越長。

（d）NCPI₇ 和 NCPI₆Cl多量子勢阱 薄膜光致發光量子效率與激發密度關系曲線。

圖3? NCPI₇ 和 NCPI₆Cl 鈣鈦礦LED器件性能

（a）平帶能級圖（NCPI₇）。NCPI₇的能級數值是來源于文獻。

（b）NCPI₇ 和 NCPI₆Cl 鈣鈦礦LED器件電致發光譜線。

（c）NCPI₇ 器件相應的色度坐標。

（d）驅動電壓下電流密度與亮度的關系曲線。

（e）外量子效率、發光效率與亮度的關系曲線。

（f）NCPI₇ 和 NCPI₆Cl 鈣鈦礦LED器件外量子效率峰值柱狀圖。

圖4 ?NCPI₆Cl 鈣鈦礦LED器件穩定性測量結果

（a）10 mA cm^?2恒定電流密度下, NCPI₆Cl 電致發光器件標準化外量子效率。

（d）NCPI₆Cl 器件光致發光曲線隨著時間的偏差。

【小結】

研究人員把無機小陽離子Cs引入到多量子阱結構的鈣鈦礦薄膜中，成功制備出色坐標為（0.73,?0.27）的純紅光高效鈣鈦礦發光器件（外量子效率為3.7%），并且器件壽命可以提高到5 h。此結果表明鈣鈦礦多量子阱結構在可見光區間同樣有潛力實現高效、穩定的鈣鈦礦發光器件。

文獻鏈接：Efficient Red Perovskite Light-Emitting Diodes Based on Solution-Processed Multiple Quantum Wells（Advanced? Materials,2017, Doi/10.1002/adma.201606600/full）

本文由材料人電子電工學術組一棵松供稿，材料牛整理編輯。

材料牛網專注于跟蹤材料領域科技及行業進展，如果您對于跟蹤材料領域科技進展，解讀高水平文章或是評述行業有興趣，點我加入編輯部。如果你對電子材料感興趣，愿意與電子電工領域人才交流，請加入材料人電子電工材料學習小組（QQ群：482842474）。歡迎大家到材料人宣傳科技成果并對文獻進行深入解讀，投稿郵箱tougao@cailiaoren.com。

材料測試，數據分析，上測試谷！