北科大AFM: 基于自組裝鈣鈦礦納米線的高亮度紅色發光二極管

【引言】

金屬鹵化物鈣鈦礦發光二極管(PeLEDs)由于其高亮度、寬色域、窄帶發射和高性價比制造成本等優點，在高清顯示技術領域而引起了廣泛關注。最近，綠色(~525nm)、深紅(650-680nm)和近紅外(~800nm)?PeLED已經實現了20%以上的外量子效率(EQE)。然而，紅光發射(620~650 nm)PeLEDs通常是通過由溴和碘陰離子混合鈣鈦礦實現的，混合鹵素產生的缺陷位點會加快離子遷移速度，增加非輻射損失，導致器件運行時相分離，影響了它們的實際應用。目前，紅光PeLED的運行壽命僅是分鐘量級，亮度不足2000 cd/m²，這些性能明顯落后于近紅外和綠光PeLED，阻礙了以PeLED為基礎的顯示技術的商業化發展進程。因而，探索一種具有高亮度和高穩定性的紅光PeLED具有重要的意義。

【成果介紹】

近日，北京科技大學田建軍教授團隊與北京工業大學隋曼齡教授、盧岳博士團隊合作，基于量子限域效應，通過維度實現700 nm至600 nm的發射光譜調控，獲得自組裝CsPbI₃納米線及高亮度和穩定的紅光PeLED，以“Self-assembled Perovskite Nanowire Clusters for High Luminance Red Light-emitting Diodes”為題發表在最新一期的Adv. Funct. Mater.上。這個工作設計了一種新型的、基于非極性溶劑的配體輔助室溫合成，開發出一種規模化自組裝CsPbI₃一維納米線的制備方法。這種納米線的發射峰位于600?nm，相對于3維體相CsPbI₃的近紅外發射(~700nm)，顯示出巨大的光譜藍移，這歸因于納米線一維方向上的量子限域效應。在鹵素空位缺陷驅動和胺配體輔助作用下，納米線沿[011]晶向生長，并發生自組裝，促進表面缺陷的自愈合，從而實現91%的量子產率。又由于納米晶的充分長大和組裝，表現出非常優異的結構穩定性和環境穩定性。基于這種自組裝CsPbI₃納米線的PeLEDs，其電致發光峰為620 nm，CIE坐標為(0.66,0.34)，EQE達到6.2%。更為重要的是其亮度達到13,644 cd/m²，是目前紅光PeLED報道的最高值。通過加速老化穩定性測試，未封裝的器件在初始亮度為11,500 cd m^-2的外界環境條件下運行的半衰期(T₅₀)為13.5分鐘，通過加速因子計算得到在100 cd m^-2的條件下器件的T₅₀為694小時。

【圖片導讀】

圖1. 晶體的結構表征。(a-c)低倍放大倍數和(d-f)原子分辨率下的HAADF-STEM圖像:(a, d)在合成的最初階段的納米晶(NCs)和納米線(NWs);(b, e)合成中間階段的NWs;以及(c, f)更大的自組裝NWs(團簇)。HAADF-STEM圖像均沿[100]區域軸拍攝。(d到f)的插圖為對應的FFT模式。(g)自組裝的NWs的TEM圖像和選區域電子衍射(SAED)。

圖2. 晶體的生長和自組裝過程。(a)初始NCs、中間相NWs和自組裝NWs的XRD圖譜、(b) FTIR光譜和(c)高分辨率XPS光譜。(d) NWs的形狀演化自組裝過程的示意圖。

圖3. 納米晶的光學特性。(a)初始NCs、中間相NWs和自組裝NWs的吸收光譜、(b) PL光譜和(c)時間分辨的PL瞬態光譜。 (d)初始NCs， (e)中間NWs和(f) 自組裝NWs在515 nm激發下的瞬態吸收光譜。

圖4. PeLED器件的結構。(a)基于自組裝NWs的PeLEDs的結構示意圖和(b) STEM橫截面圖。(c)自組裝的NWs薄膜的PL和PeLED器件的EL。(d)PeLED器件的CIE坐標。.

圖5. PeLEDs的器件性能和穩定性。(a)電流密度-亮度-電壓曲線。(b) EQE-亮度曲線。最大(c) EQE和(d)亮度統計直方分布圖。(e)不同工作電壓下的EL光譜。(f)PeLED器件的運行穩定性的加速老化測試。

【小結】

這篇文章基于對配體輔助再沉淀法過程中納米晶生長階段形核和后續生長過程的調控，通過自組裝過程得到了具有高紅光熒光量子產率的CsPbI₃納米線（PLQY =?91%）。制備的紅光發射PeLEDs器件實現了記錄值的亮度值和運行穩定性。該工作是全無機CsPbI₃納米晶在紅光PeLEDs領域的一個重要工作，將促進PeLED在發光、顯示領域的應用。

【文獻出處】

Self‐Assembled Perovskite Nanowire Clusters for High Luminance Red Light‐Emitting Diodes. Adv. Funct. Mater., 2020, DOI: 10.1002/adfm.202005990

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202005990

田建軍教授和盧岳博士為該工作的通訊作者，博士生畢成浩、胡敬聰和碩士生姚志偉為共同第一作者。