曾海波Sci. Bull.：鈣鈦礦LED顏色漂移怎么辦？

youyoucao 2年前 (2021-05-26) 1687瀏覽

混合鹵素鉛鹵鈣鈦礦由于其帶隙和發射顏色的寬可調諧性，在未來電致發光（EL）器件中展現出了廣闊的應用前景。到目前為止，鈣鈦礦發光二極管（PeLEDs）已經取得了重大進展，尤其是紅光和綠光EL器件，但是顯著的EL漂移現象，即所謂的顏色漂移，仍然是混合鹵素PeLEDs不可避免的挑戰，嚴重阻礙鈣鈦礦在固態照明和高清顯示領域的商業化。藍光作為光電子發光器件的關鍵成員，藍光PeLEDs在效率尤其是EL穩定性方面正面臨著雙重挑戰。

南京理工大學曾海波教授等人提出了一種普適性的氫鍵鍵合的胺基摻雜策略，穩定了混合鹵素藍光PeLEDs的發射光譜，同時提升了器件效率及工作穩定性。相關成果以“Stabilizing electroluminescence color of blue perovskite LEDs via amine group doping”為題，發表在著名期刊Science Bulletin上。

本文要點：

1. 選取胍（GA）和甲脒（FA）作為胺基（?NH2）摻雜源，胺基能夠與鈣鈦礦晶格上的鹵素形成N?H???X（X=?Cl或Br）相互作用，理論和實驗研究表明，該胺基摻雜策略增加了鹵素離子的遷移能壘，從而抑制鹵素離子的遷移。

2. 胺基陽離子進一步提升了鈣鈦礦的結晶性能，降低了鈣鈦礦的缺陷態密度，促進了輻射復合發光。

3. 最終，氫鍵鍵合的藍光PeLEDs展現出穩定的發光顏色（不變的EL峰位）和提高的外量子效率（從1.3%（基準器件）提升至3.02%（GA）和4.14%（FA））。

圖1. Br/Cl混合藍光PeLEDs的顏色漂移現象。基于（a）CsPbBr1.5Cl1.5?QDs，（b）CsPbBr2Cl QDs和（c）CsPbBr1.8Cl1.2多晶薄膜的藍光器件在不同電壓下的EL光譜。（d-f）對應于（a-c）中器件的CIE色坐標，以及器件在部分電壓下的發光圖像。

圖2. N?H???X摻雜策略穩定藍光鈣鈦礦QDs發光顏色。（a）N?H???X摻雜策略抑制CsPbBrxCl3-x?QDs離子遷移的示意圖。帶有?NH2的摻雜陽離子被引入鈣鈦礦晶格中，在N?H摻雜劑和Pb?X晶格之間形成N?H???X氫鍵，可以抑制鹵離子的遷移，從而穩定顏色漂移。（b）含與不含N?H???X的鈣鈦礦QDs和相應摻雜劑在C=N伸縮振動頻率區域的FTIR光譜。（c）N?H伸縮振動頻率區域的FTIR光譜。（d）鈣鈦礦樣品的XRD圖譜。（e-g）含與不含N?H???X的鈣鈦礦薄膜的電壓依賴的PL光譜演變。

圖3. N?H???X摻雜策略抑制離子遷移。含與不含N?H???Br的CsPbBr3從位點1到位點2的（a）Br遷移路徑示意圖，（b）遷移能壘變化和（c）遷移勢壘原理圖。（d）不含與（e）含N?H???X鈣鈦礦的溫度依賴的電導率變化。（f）依賴N?H???X相互作用的離子遷移能壘的原理圖。

圖4.?PeLEDs依賴于N?H???X策略的EL穩定性機制及性能分析。（a）器件能級示意圖。（b）電場下EL穩定性提升的原理圖，N?H???X摻雜抑制了離子遷移，從而穩定了帶隙，最終實現了穩定的EL發射。（c）3 V電壓下的歸一化EL光譜，插圖是相應的CIE色坐標。（d）器件的電流密度-電壓-亮度特性。（e）器件的EQE-電流密度特性。

圖5. 依賴于N?H???X策略的EL和CIE特性。（a）基準，（b）GA鍵合和（c）FA鍵合的器件在不同電壓下的EL光譜。（d-f）是對應于（a-c）的CIE色坐標，插圖顯示了EL的顏色演變。

圖6. N?H???X策略對PeLEDs的EL漂移的影響。（a-c）歸一化的EL與電壓和波長的等高線圖，其中白線為EL峰值，黑色虛線之間的距離為EL?FWHM。（d-e）恒定電流下EL光譜隨時間的演變。

該研究工作通過引入胺基基團并在混合鹵素藍光鈣鈦礦中形成氫鍵來抑制鹵素離子的遷移，在提高發光器件效率的同時，極大地抑制了EL器件的顏色漂移（與基準器件隨著電壓從3?V升高到7?V產生的15 nm紅移相比，相同條件下胺基摻雜器件幾乎不發生光譜紅移）。總之，該工作所提出的策略可以為高性能且光譜穩定藍光PeLEDs的實現提供一種有效的解決途徑，并可拓展應用于其它類型的PeLEDs中。

文章信息：

Fengjuan Zhang, Jizhong Song, Bo Cai, Xi Chen, Changting Wei, Tao Fang, Haibo Zeng. Stabilizing electroluminescence color of blue perovskite LEDs via amine group doping. Science Bulletin, 2021, https://doi.org/10.1016/j.scib.2021.04.033

本文由Science Bulletin期刊編輯投稿。

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