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未知成分分析華中科技大學(xué)王磊團(tuán)隊(duì)&林雪平大學(xué)高峰團(tuán)隊(duì)成果報(bào)道：鉀離子鈍化CsPb(Br/Cl)3鈣鈦礦用于高效穩(wěn)定藍(lán)光發(fā)光二極管
來(lái)源：測(cè)試GO
時(shí)間：2020-12-04 17:37:06
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研究背景
近幾年來(lái)，近紅外、紅光以及綠光鈣鈦礦發(fā)光二極管飛速發(fā)展，其外量子效率均已經(jīng)突破20%，而藍(lán)光鈣鈦礦發(fā)光二極管的發(fā)展遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后。這主要是由兩個(gè)原因造成：1）由于藍(lán)光鈣鈦礦材料中存在很多缺陷態(tài)，故很難獲得高效且穩(wěn)定的藍(lán)光發(fā)光層；2）由于藍(lán)光發(fā)射鈣鈦礦材料的價(jià)帶深，故缺乏能級(jí)匹配的高效空穴傳輸材料來(lái)構(gòu)成理想的器件結(jié)構(gòu)。
因此，開(kāi)發(fā)具有高效載流子注入與輸運(yùn)性能，兼具高效發(fā)光的量子點(diǎn)材料和尋找合適的空穴傳輸材料是提高鈣鈦礦藍(lán)光量子點(diǎn)發(fā)光二極管效率的重要途徑。
研究成果
華中科技大學(xué)武漢光電國(guó)家研究中心王磊教授課題組與瑞典林雪平大學(xué)高峰教授課題組創(chuàng)新性地將鉀離子引入CsPb(Br/Cl)3藍(lán)光鈣鈦礦量子點(diǎn)的制備過(guò)程中，再進(jìn)一步通過(guò)對(duì)該藍(lán)光器件結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)控，成功將其外量子效率由0.23%顯著提升至1.96%，該器件的光致發(fā)光峰位位于477 nm。
鉀離子的引入，不僅能夠有效減少量子點(diǎn)的表面缺陷位點(diǎn)，抑制非輻射復(fù)合，保證高效發(fā)光特性，更重要的是鉀離子作為金屬離子配體，能夠顯著改善載流子注入和傳輸性能，進(jìn)而提升器件性能。
進(jìn)一步地，將原器件結(jié)構(gòu)中的空穴傳輸層(poly-TPD)替換成具有更高空穴遷移率的雙空穴傳輸層(pvk/poly-TPD)，器件性能進(jìn)一步提升，得益于雙空穴傳輸層所帶來(lái)的更小的能障與更快的空穴遷移率。該工作于近期發(fā)表在Advanced Functional Materials上(Adv. Func. Mater. 2020, 1908760)。
圖文解析
Figure 1. a) XRD patterns of perovskite films with different x value and standard XRD patterns of CsPbBr3 and CsPbCl3. b,c) TEM images of pristine and K+-based (4.0% in terms of nominal K+ ratio) NCs; the insets show the corresponding high-resolution TEM images. d,e) NCs size distribution diagrams of pristine and K+-based (4.0% in terms of nominal K+ ratio) NCs.
不同濃度鉀離子修飾對(duì)鈣鈦礦晶體結(jié)構(gòu)及形貌的影響如圖1所示。隨著鉀離子濃度的增加，其鈣鈦礦X射線衍射峰所對(duì)應(yīng)的峰位未發(fā)生偏移，說(shuō)明鉀離子修飾作用不影響鈣鈦礦的晶格，即鉀離子沒(méi)有進(jìn)入鈣鈦礦晶格點(diǎn)陣中，而是在其表面。進(jìn)行鉀離子修飾后的鈣鈦礦量子點(diǎn)形貌更接近于方形，且其尺寸稍有增加。
Figure 2. Zoomed in XPS spectra of pristine and K+-based (4.0% in terms of nominal K+ ratio) NCs: a) Br 3d; b) Cl 2p. The atomic ratio of c) O/Pb and d) N/Pb for pristine and K+-based (4.0% in terms of nominal K+ ratio) NCs. e) Schematic illustration of potassium passivation.
圖2a,b為鉀離子修飾前后的鈣鈦礦量子點(diǎn)的Br 3d、Cl 2p XPS譜。對(duì)比可以看出，鉀離子修飾后其Br 3d和Cl 2p所對(duì)應(yīng)的結(jié)合能發(fā)生變化，說(shuō)明溴和氯元素的成鍵環(huán)境發(fā)生了變化；圖2c,d為XPS數(shù)據(jù)計(jì)算而得的O/Pb及N/Pb原子比，可以看出，當(dāng)鉀離子引入后，O/Pb和N/Pb發(fā)生明顯降低，說(shuō)明有機(jī)配體辛酸和雙十二烷基二甲基溴化銨數(shù)量減少。結(jié)合以上分析，圖2e為鉀離子鈍化機(jī)理圖，即鉀離子作為金屬離子配體與鈣鈦礦表面鹵素離子成鍵，鈍化表面缺陷并取代部分有機(jī)配體。
Figure 3. a) PL and UV–vis absorption spectra of perovskite NC solutions with different x value. Insets in the right display the corresponding perovskite solutions under daylight and 365 nm UV lamp. b) PLQY of perovskite NC solutions with different x value. c) PL decay spectra of pristine and K+-based (4.0% in terms of nominal K+ ratio) NCs.
不同濃度鉀離子修飾對(duì)鈣鈦礦發(fā)光性能的影響如圖3所示。隨著鉀離子濃度的增加，鈣鈦礦發(fā)光峰位逐漸紅移，從插圖中可以看出，其光致發(fā)光現(xiàn)象逐漸增強(qiáng)，這與圖3b的PLQY增大相符合。由時(shí)間分辨光致發(fā)光譜可以看出，基于鉀離子修飾的鈣鈦礦壽命更長(zhǎng)。
Figure 4. a) Energy level diagram and b) device structure of the LED device. c) Current density-voltage-luminance curves and d) EQE-luminance curve for LED device based on x=4.0%. e) EL spectra of LED based on x=4.0% driven at voltage of 3.2 V and inset shows the corresponding CIE coordination. f) EL spectra of the device driven at different voltage.
圖4為器件結(jié)構(gòu)為ITO/PEDOT:PSS/poly-TPD/PVK/CsPb(Br/Cl)3/PO-T2T/LiF/Al的藍(lán)光鈣鈦礦發(fā)光二極管器件性能圖。其中，發(fā)光層為基于鉀離子修飾的CsPb(Br/Cl)3量子點(diǎn)，空穴傳輸層為PVK/poly-TPD雙空穴傳輸材料，電子傳輸層為PO-T2T。鉀離子修飾后的鈣鈦礦量子點(diǎn)具有更高的發(fā)光效率，更低的缺陷態(tài)密度和更高的穩(wěn)定性；雙空穴傳輸層的引入能大大降低發(fā)光層與空穴傳輸層之間的能障礙，提高空穴傳輸速率；PO-T2T作為一種具有高電子遷移率(1.1 × 10-4 cm2 v-1 s-1) 的電子傳輸層材料，能帶來(lái)更好的載流子平衡。該器件不僅取得了1.96%的外量子效率，其電致發(fā)光峰位幾乎不隨電壓發(fā)生變化，展現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性。
研究小結(jié)
本工作在鈣鈦礦量子點(diǎn)的合成過(guò)程中引入了堿金屬鉀離子，鉀離子作為金屬離子配體能取代量子點(diǎn)表面部分有機(jī)配體，從而大大提高鈣鈦礦量子點(diǎn)的電荷傳輸性能。與此同時(shí)，鉀離子能很好地鈍化鈣鈦礦表面的缺陷，提高其光致發(fā)光量子產(chǎn)率和穩(wěn)定性。進(jìn)一步在器件結(jié)構(gòu)中引入雙空穴傳輸層，其器件性能大大提高。該工作為實(shí)現(xiàn)高效穩(wěn)定的藍(lán)光鈣鈦礦發(fā)光二極管的發(fā)展鋪平了道路。
團(tuán)隊(duì)介紹
華中科技大學(xué)武漢光電國(guó)家研究中心王磊教授及其團(tuán)隊(duì)一直致力于光電功能材料與器件方面的工作，在OLED和PeLED發(fā)光材料與器件研究方面取得了一系列突出研究成果。近5年來(lái)，在JACS，Chem. Mater., J. Mater. Chem., Adv. Opt. Mater.等國(guó)際權(quán)威雜志上共發(fā)表學(xué)術(shù)論文100余篇。除此之外，還獲得授權(quán)中國(guó)發(fā)明專利7項(xiàng)、實(shí)用新型專利5項(xiàng)，論文近5年被SCI引用800余次，H因子為21。入選湖北省杰青、華中學(xué)者、武漢市3551人才，獲得校“三育人獎(jiǎng)”。
瑞典林雪平大學(xué)高峰教授及其團(tuán)隊(duì)多年從事有機(jī)太陽(yáng)能電池的器件物理研究，對(duì)多種材料體系的電荷損耗機(jī)理進(jìn)行過(guò)深入細(xì)致的研究，新型太陽(yáng)能電池和發(fā)光二極管的研究，包括有機(jī)半導(dǎo)體材料和有機(jī)-無(wú)機(jī)雜化鈣鈦礦半導(dǎo)體材料。迄今為止，高峰教授已在Adv. Mater.，JACS，Nat. Comm., Nat. Poton., Nat. Energy,Adv. Func. Mater.等國(guó)際權(quán)威期刊上發(fā)表學(xué)術(shù)論文100余篇。
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