西安交大吳朝新Adv. Mater.: 鈣鈦礦LED普適性器件結構：“絕緣層-鈣鈦礦-絕緣層”（IPI）

【引言】

近年來，鈣鈦礦材料由于其易合成、低成本、高吸收系數、載流子擴散距離長等優勢，在光伏領域掀起研究熱潮，成為炙手可熱的“明星材料”。此外，鈣鈦礦材料還具有高色純度，高熒光量子產率以及易于實現全光譜發光，使其同時展現出在電致發光，顯示領域的應用優勢。目前為止，所有的鈣鈦礦LED都是沿用了傳統的有機電致發光（OLED）和聚合物電致發光（PLED）的器件結構。由于有機發光分子熒光壽命較短，一般在OLED與PLED器件中發光層與空穴、電子傳輸層間的熒光淬滅可以忽略。然而，一般而言鈣鈦礦材料的熒光壽命要遠遠大于與傳統的有機電致發光小分子和聚合物材料，因而在沿用OLED與PLED的器件結構中，在鈣鈦礦材料與電子、空穴傳輸層之間會發生嚴重的熒光淬滅。更由于鈣鈦礦材料本身特有的成膜結晶特性，與有機分子薄膜不同，鈣鈦礦薄膜存在表面粗糙度大，易于出現孔洞等問題，這些問題將引起鈣鈦礦電致發光器件漏電流升高，熱效應明顯，導致器件效率降低和器件壽命縮短。因而，尋找一種適合鈣鈦礦材料的熒光和結晶動力學特性發光特性的發光二極管結構意義重大。

【成果簡介】

西安交通大學電信學院吳朝新教授團隊提出了一種鈣鈦礦半導體普適的器件結構：“絕緣層-鈣鈦礦-絕緣層”（IPI），即將鈣鈦礦發光層置于一對超薄LiF絕緣層之間。IPI結構的原理是基于量子力學領域的量子隧道效應。實驗表明，相比于傳統電致發光器件結構，IPI結構大大抑制了漏電流，提高了空穴注入，增強了輻射復合，增加了器件效率，延長了器件壽命。和基于傳統器件結構的鈣鈦礦發光器件相比，基于IPI結構鈣鈦礦發光器件的電流效率從0.64cd/A增加到20.3cd/A，外量子效率從0.174%增加到5.53%，器件效率上升了30倍。此外，相比于傳統結構器件，基于全無機鈣鈦礦的IPI結構器件，鈣鈦礦薄膜在經過反溶劑熏蒸后持續點亮時間長達96小時，是傳統結構器件壽命的24倍。以上結果表明，IPI結構不僅有利于器件效率的提升，而且有利于器件壽命的延長。論文中表明，IPI結構適合MAPbBr₃、FAPbBr₃，CsPbBr₃，以及CsSnBr₃等，有望成為未來鈣鈦礦發光二極管的通用普適性器件結構。

該項研究工作以題目為“A Strategy for Architecture Design of Crystalline Perovskite Light‐Emitting Diodes with High Performance”近日發表于國際頂級期刊Advanced Materials（IF=19.791）上。該論文第一作者為課題組17級博士生時一斐，吳朝新教授作為唯一通訊作者，西安交通大學為第一作者單位。參與此項工作的還有劍橋大學卡文迪許實驗室Guangru Li博士，劍橋大學材料科學與冶金學系郗凱博士和 Giorgio Divitini博士。

【圖文導讀】

圖1?以FAPbBr₃和MAPbBr₃ 作為發光層的IPI結構器件示意圖

(a)基于FAPbBr₃的IPI器件結構SEM截面圖; (b)IPI器件結構示意圖；(c)基于MAPbBr₃的IPI器件結構SEM截面圖; (d)ITO/LiF/ FAPbBr₃樣品的SEM圖; (e) IPI器件結構能級圖; (f) ITO/LiF/ MAPbBr₃樣品的SEM圖；（g）基于FAPbBr₃的IPI器件EL光譜；（h）空氣中點亮的IPI結構器件；（i）基于MAPbBr₃的IPI器件EL光譜

圖2?傳統結構器件與IPI結構器件對比??

(a)ITO/PEDOT:PSS/鈣鈦礦/Bphen/LiF/Al；（b）ITO/PEDOT:PSS/PVK/鈣鈦礦/Bphen/LiF/Al；(c) ITO/LiF/鈣鈦礦/LiF/Bphen/LiF/Al (IPI結構); (d-f)基于FAPbBr₃的三種結構器件性能對比；(g-i）基于MAPbBr₃的三種結構器件性能曲線對比；(j-n) 基于CsPbBr₃的傳統結構器件和IPI結構器件以及經過反溶劑（氯苯）熏蒸過鈣鈦礦薄膜的IPI結構器件性能曲線和器件壽命對比；(o)一個持續點亮的基于CsPbBr₃的IPI結構器件照片。

圖3 IPI結構機理解釋

ITO/PEDOT:PSS/鈣鈦礦/Bphen/LiF/Al結構泄漏電流示意圖；(b)IPI結構增強輻射復合示意圖；(c-d) ITO/PEDOT:PSS/ FAPbBr₃樣品的AFM和c-AFM圖；（e-f）ITO/LiF/ FAPbBr₃/LiF樣品的AFM和c-AFM圖；（c′-f′）對應于(c-f)圖中虛線的形貌和電流分布曲線；(g) 器件A中PE 區域存在較大注入勢壘；(h)器件C中 PE′區域存在較小空穴注入勢壘；(i)器件C中P′區域抑制了漏電流。

圖4 IPI結構樣品熒動力學表征

(a)瞬態熒光壽命曲線；(b)PL熒光光譜曲線。六種樣品分別是： Glass/ITO/LiF/FAPbBr₃/LiF/Bphen；

Glass/ITO/LiF/FAPbBr₃；

Glass/ITO/LiF/FAPbBr₃/Bphen；??

Glass/ITO/PEDOT:PSS/PVK/FAPbBr₃；

Glass/ITO/PEDOT:PSS/FAPbBr₃；

Glass/ITO/FAPbBr₃。

文獻鏈接：A Strategy for Architecture Design of Crystalline Perovskite Light‐Emitting Diodes with High Performance?(Adv. Mater., 2018, doi: 10.1002/adma.201800251)

【團隊介紹】

西安交通大學吳朝新教授團隊主要研究新型功能材料的“光-電”與“電-光”物理機制及其器件應用如太陽能電池與發光二極管等。主頁：http://zhaoxinwu.gr.xjtu.edu.cn。該工作得到國家自然基金委面上課題（編號11574248），科技部國家重點研發專項（編號2016YFB0400702），陜西省自然科學基本研究計劃（編號2016JM6072），教育部博士后面上項目（編號20130201110065），以及陜西省國際合作項目（編號2015KW-008）的支持。

本文由西安交通大學吳朝新教授團隊供稿。

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