基于金屬鹵化物鈣鈦礦(PeLEDs)的發(fā)光二極管(LEDs)，具有高色彩質(zhì)量和易于溶液處理的優(yōu)點(diǎn)，是全彩和高清顯示的有前途的候選者。

盡管在使用溴化鉛鈣鈦礦的綠色PeLEDs中取得了巨大的成功，但使用基于碘的同類產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)純紅色(620-650 nm) LEDs仍然具有挑戰(zhàn)性，因?yàn)樗鼈兪艿降凸逃袔兜南拗啤?/span>

在此，來自吉林大學(xué)的王寧&英國劍橋大學(xué)的Neil C. Greenham &上海大學(xué)的楊緒勇等研究者報(bào)告了整個純紅色區(qū)域的高效和顏色穩(wěn)定的PeLEDs，在638 nm處的峰值外量子效率達(dá)到28.7%，這是通過將雙端錨定配體分子結(jié)合到純碘鈣鈦礦中實(shí)現(xiàn)的。相關(guān)論文以題為“Fabrication of red-emitting perovskite LEDs by stabilizing their octahedral structure”于2024年06月12日發(fā)表在Nature上。

金屬鹵化物鈣鈦礦，因其高顏色純度、可調(diào)帶隙和易于溶液加工而在高清顯示器中獲得了極大的關(guān)注。鈣鈦礦發(fā)光二極管(PeLEDs)的性能已經(jīng)取得了快速的進(jìn)展，特別是使用溴基鈣鈦礦的綠色發(fā)光二極管，其外部量子效率(EQEs)已接近30%。

然而，實(shí)現(xiàn)高效且色彩穩(wěn)定的純紅色發(fā)光二極管(在620和650納米之間)仍然是一個挑戰(zhàn)，這是顯示器中三原色之一的先決條件。溴化鉛鈣鈦礦固有的帶隙為實(shí)現(xiàn)飽和綠色發(fā)射提供了天然優(yōu)勢。相比之下，碘(I)基鈣鈦礦由于其窄帶隙，在深紅色(例如，CsPbI₃約為680 nm)甚至近紅外區(qū)域發(fā)射。

鈣鈦礦中的Br-I混合是一種廣泛使用的策略，可以將帶隙調(diào)諧到純紅色發(fā)射區(qū)，但由于電偏壓下的鹵化物偏析，這很容易引起光譜移動。另外，降維I-基鈣鈦礦是混合Br-I鈣鈦礦的有力競爭者。膠體CsPbI₃納米晶體已被證明可以通過量子尺寸效應(yīng)實(shí)現(xiàn)純紅發(fā)射。

然而，除了相對復(fù)雜的合成之外，這種膠體納米晶體具有絕緣的長鏈有機(jī)配體，這不僅阻礙了載流子的運(yùn)輸，而且還導(dǎo)致了不穩(wěn)定性，因?yàn)樗鼈內(nèi)菀讖拟}鈦礦的軟晶格表面分離。

具有量子阱結(jié)構(gòu)的降維多晶鈣鈦礦薄膜易于成膜，具有高效的輻射復(fù)合率和在PeLEDs中長期穩(wěn)定的潛力。到目前為止，為實(shí)現(xiàn)純紅發(fā)射，定制能量級聯(lián)通道的間隔器工程已經(jīng)得到了廣泛的發(fā)展。

不幸的是，基于Ruddlesden-Popper鈣鈦礦的PeLEDs的EQE僅為12.4%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于目前的水平。同時表現(xiàn)出高效率和光譜穩(wěn)定性的降維紅色等離子體尚未被證明。

更重要的是，上述溶液處理的鈣鈦礦很少能在光激發(fā)下實(shí)現(xiàn)光譜穩(wěn)定發(fā)射，在高電壓偏置下更是罕見。缺乏光譜穩(wěn)定的純紅色發(fā)射選擇可能會限制PeLED技術(shù)的顯示應(yīng)用。

在這里，研究者報(bào)告了整個純紅色區(qū)域的高效和顏色穩(wěn)定的PeLEDs，在638 nm處的峰值外量子效率達(dá)到28.7%，這是通過將雙端錨定配體分子結(jié)合到純碘鈣鈦礦中實(shí)現(xiàn)的。研究者證明了有機(jī)插層陽離子的一個關(guān)鍵功能是通過與暴露的鉛離子配位和增強(qiáng)與碘的氫鍵來穩(wěn)定鉛碘八面體。該分子協(xié)同促進(jìn)光譜調(diào)制，促進(jìn)鈣鈦礦量子阱之間的電荷轉(zhuǎn)移，并減少電偏壓下的碘遷移。

研究者實(shí)現(xiàn)了碘基鈣鈦礦薄膜的連續(xù)可調(diào)諧發(fā)射波長，由于離子鈣鈦礦中鉛碘的鍵能隨著帶隙的增加而降低，從而抑制了能量損失。重要的是，所得器件在初始亮度為100 cd m^?2時表現(xiàn)出出色的光譜穩(wěn)定性和超過7,600 min的半衰期。

圖1 MOPA與鈣鈦礦的相互作用和結(jié)構(gòu)。

圖2 光電特性。

圖3 純紅色發(fā)光二極管的器件性能。

圖4 PeLEDs的穩(wěn)定性分析。

綜上所述，在這項(xiàng)工作中，研究者將具有銨基和甲氧基的雙端錨定配體分子MOPA加入到降維鈣鈦礦中，通過加強(qiáng)氫鍵相互作用和配位鉛離子來穩(wěn)定無機(jī)骨架，從而抑制電場下的I -遷移和減少非輻射重組。

MOPA還誘導(dǎo)了強(qiáng)量子約束，擴(kuò)大了鈣鈦礦帶隙，并且由于甲氧基的吸電子性質(zhì)，促進(jìn)了電荷在范德華隙中的轉(zhuǎn)移。這些改進(jìn)使研究者在整個純紅色區(qū)域?qū)崿F(xiàn)了超過20%的EQE(冠軍PeLED的EQE達(dá)到28.7%)，穩(wěn)定均勻的電致發(fā)光發(fā)射，并顯著提高了使用壽命。

該研究結(jié)果展示了一種非常有前途的路線，用于制造具有高色彩純度的全彩顯示器的PeLEDs。這一根本性的進(jìn)步也適用于各種顏色的鹵化物鈣鈦礦半導(dǎo)體，為達(dá)到Rec. 2020標(biāo)準(zhǔn)鋪平了道路。

【參考文獻(xiàn)】

Kong, L., Sun, Y., Zhao, B. et al. Fabrication of red-emitting perovskite LEDs by stabilizing their octahedral structure. Nature (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-07531-9

原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-024-07531-9