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清华大学《Nano Energy》:光谱稳定高效的钙钛矿蓝光LED

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编辑推荐:本文通过使用Cl端基的胺配体(Cl-配体)制备了具有优化Cl分布的合金FAPbBr3-xClx纳米晶体薄膜。与传统的Br端基配体(Br-配体)制造的FAPbBr3-xClx薄膜相比,制成的FAPbBr3-xClx NC薄膜显示出富含Cl的表面和9 nm蓝移发射光谱。此外,基于Cl-配体的EL器件实现了蓝色EL发射,最大亮度为2810 cd/m2,EQE为3.1%,几乎是基于Br-配体的EL器件的三倍。

  蓝光钙钛矿电致发光器件主要是基于在铅基溴化钙钛矿中进行氯掺杂实现的。但是由于合金钙钛矿膜中Cl和Br离子分布的不均匀和迁移率的变化往往导致EL光谱在器件运行过程中由蓝色区域逐渐变为绿色区域。来自清华大学等单位的研究人员通过使用Cl-配体替代Br-配体制备了具有优化的Cl分布的合金FAPbBr3-xClxNC 薄膜。FAPbBr3-xClxNC 薄膜显示出富含Cl的表面和9 nm蓝移发射光谱,实现了蓝色EL发射,最大亮度为2810 cd/m2,EQE为3.1%。相关论文以题为“ Chlorine Distribution Management for Spectrally Stable and Efficient Perovskite Blue Light-Emitting Diodes ”发表在Nano Energy。

  论文链接:

  https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285520310612

  

  钙钛矿发光二极管(PeLEDs)由于具有色纯度高、波长调节方便、制造工艺成本低等突出优点,成为满足未来显示技术需求的候选器件。在过去的几年中,绿色和红色(或近红外)发射的PeLED受到了广泛研究和快速改进,最大外部量子效率(EQE)超过20%。与绿色或红色发光相比,蓝色发光在器件运行过程中仍然存在亮度较低、效率中等和光谱不稳定的问题。这些缺点极大地抑制了覆盖整个可见区域的电致发光的实现。因此,制作高质量的蓝色发射PeLED对未来PeLED发展具有重要意义。

  通常,在MAPbBr3,FAPbBr3和CsPbBr3的溴化物钙钛矿中通过氯置换获得蓝光发射的钙钛矿。根据组成相关的带隙,可以根据变化的Cl含量,将分子式为FAPbBr3-xClx(0≤x≤3)的氯化物取代的钙钛矿的发射波长从410 nm调至520 nm。同时,在文献中已经证明钙钛矿是在施加电场下具有自发离子迁移的离子化合物。由于离子半径和结合能不同,Cl和Br离子具有不同的迁移速率,从而导致基于合金的FAPbBr3-xClx基EL器件的相分离和光谱移位。然而,文献中的FAPbBr3-xClx NC薄膜是使用在FAPbBr3-xClx NC表面上具有低Cl含量的溴端基配体(Br-配体)制成。FAPbBr3-xClxNC薄膜中产生不均匀Cl的分布会放大Cl迁移的问题。因此,对FAPbBr3-xClxNCs中Cl分布的精细控制是降低Cl迁移程度并实现光谱稳定的蓝光发射PeLED的有效方法。

  
图1. (a)配体(Br-配体或Cl-配体)的分子结构和由Br-配体和Cl-配体制备的FAPbBr3-xClx NC的结构模型。(b,c)由Br-配体和Cl-配体制备的FAPbBr3-xClx膜的SEM图像。(d)用Br-配体(黑色曲线)和Cl-配体(红色曲线)制造的FAPbBr3-xClx膜的X射线衍射图。(e)由Br-配体和Cl-配体制备的FAPbBr3-xClx薄膜的XPS(Cl-2p)光谱。有关表面或内部Cl含量的定量结果也标记在每个峰的顶部。

  
图2. (a,b)由Br-配体和Cl-配体制备的FAPbBr3-xClx薄膜的GIXRD图像。(c)沿qz方向的相应衍射图样。(d)制成的FAPbBr3-xClx NCs的晶体结构。

  
图3. (a)由Br-配体和Cl-配体制备的FAPbBr3-xClx膜的吸收和PL光谱。(b)由Br-配体和Cl-配体制备的FAPbBr3-xClx膜的时间分辨PL光谱。(c,d)由Br-配体和Cl-配体制备的FAPbBr3-xClx膜的温度依赖的PL演变有关的伪色图。(e,f)与温度相关的PL强度的拟合曲线对应于c和d。

  
图4. (a)基于FAPbBr3-xClx薄膜的PeLED的EL器件结构。(b)所制造的EL器件的电流密度-电压-亮度曲线。(c)由Br-配体和Cl-配体制造的所得PeLED的外部量子效率(EQE)曲线。(d)基于Br-配体和Cl-配体的EL器件的相应CIE颜色坐标。(e)基于在不同偏压下Br-配体衍生的器件的EL光谱。(f)在不同的偏压下Cl-配体衍生的器件的EL光谱。插图显示了操作设备的光学图像。

  
图5. (a,b)在装置运行之前,由Br-配体和Cl-配体制造的FAPbBr3-xClx基的PeLED中Cl和Br离子的TOF SIMS光谱。(c,d)器件操作后,PeLED中Cl和Br离子的TOF SIMS光谱。(e,f)由Br-配体和Cl-配体制造的PeLED中不同Cl离子迁移之间的比较。

  总之,通过使用Cl端基配体制备了具有优化Cl分布的FAPbBr3-xClx NC膜。XPS和TOFSIMS结果表明,使用Cl-配体制备的FAPbBr3-xClx NC薄膜主要由具有富Cl表面的准-2D和3D混合FAPbBr3-xClx晶体组成。与由Br-配体制造的FAPbBr3-xClx薄膜相比,由Cl-配体制造的FAPbBr3-xClx薄膜表现出9nm的蓝移PL发射和近1.6倍的激子结合能增强。此外,制造了基于Cl-配体衍生的FAPbBr3-xClx薄膜的EL器件,并实现了显着改善的器件性能,其EL发射集中在474 nm,最大亮度为2810 cd/m2,EQE为3.1%。Cl-配体的应用还有助于增强光谱稳定性,在宽的偏压范围内仅使EL光谱发生轻微偏移,这明显优于基于常规Br-配体的EL器件。通过TOF-SIMS分析表明通过抑制Cl配体衍生的EL器件中的Cl离子迁移,证明了增强光谱稳定性的机理。这些发现为解决基于钙钛矿的蓝色LED光谱不稳定性提供另一种策略,并有利于PeLED的进一步发展。(文:无计)

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