吉林大學，重磅Nature！

一、【導讀】

實際上，鉛（Pb）鹵化物鈣鈦礦發光二極管 （PeLED） 具有非凡的光電性能，同時由于Sn具有與鉛相似的價電子構型和離子半徑，被認為是取代鉛基鈣鈦礦的一種有前途的候選材料，然而Pb潛在的毒性阻礙了其進一步的商業化應用。因此，從性能最佳的PeLED中去除鉛，同時不影響其出色的外部量子效率（EQE）仍然具有挑戰性。大多數改進Sn基PeLED的策略都集中在通過引入Sn補償劑和還原劑來抑制Sn²⁺的氧化。不幸的是，由于這些技術不能有效地抑制所得錫鈣鈦礦薄膜中的缺陷，因此僅取得了有限的改進。此外，殘留的化學試劑經常破壞錫鈣鈦礦晶格的有序性，導致安德森局域化，這對光電性能不利。更重要的是，形貌學控制和溶劑工程方法也被開發出來，使Sn基PeLED的EQE提高了5.4%，但Sn基PeLED的EQE仍然較低，意味著對Sn²⁺的內在不穩定性了解有限，需要進一步深入研究以進一步提高Sn基PeLED的EQE和穩定性。

二、【成果掠影】

在此，吉林大學王寧教授，上海大學楊緒勇教授，瑞士洛桑聯邦理工學院Michael Gr?tzel教授和盧海州（共同通訊作者）等人報道了一種互變異構混合物配位誘導的電子定位策略，通過加入氰尿酸（CA）來穩定無鉛TEA₂SnI₄（TEAI, 2-噻吩乙基碘化銨）鈣鈦礦。結果顯示，由于鈣鈦礦表面形成H鍵互變異構二聚體和三聚體超結構，配位的一個關鍵功能是放大電子效應，甚至能夠擴展到與CA沒有強鍵合的Sn原子。這種電子定位緩解了安德森定位的不利影響，并改善了TEA₂SnI₄晶體結構的有序性，這些因素使非輻射復合捕獲系數降低了兩個數量級，激子結合能提高了約2倍。進一步測試顯示，本文的無鉛PeLED的EQE高達20.29%，其性能可與最先進的含鉛PeLED相媲美，預計這些發現將為Sn（II）鈣鈦礦的穩定性提供見解，并進一步推進無鉛鈣鈦礦的應用。

相關研究成果以“Tautomeric Mixture Coordination Enables Efficient Lead-Free Perovskite LEDs”為題發表在Nature上。

三、【核心創新點】

1.本文將CA集成到二維TEA₂SnI₄中，突破了目前無鉛PeLEDs的性能瓶頸，使之能夠實現超過20%的EQE。

2.本文提出的電子定位緩解了安德森定位的不利影響，并改善了TEA₂SnI₄晶體結構的有序性，這些因素使非輻射復合捕獲系數降低了兩個數量級，激子結合能提高了約2倍。

四、【數據概覽】

圖1 ?CA與TEA₂SnI₄鈣鈦礦的相互作用和構型。? 2023 Springer Nature

圖2 結晶動力學與非輻射復合評估。? 2023 Springer Nature

圖3 TEA₂SnI₄薄膜的光物理和載流子動力學。? 2023 Springer Nature

圖4 器件表征。? 2023 Springer Nature

五、【成果啟示】

綜上所述，作者將CA集成到二維TEA₂SnI₄中，突破了目前無鉛PeLEDs的性能瓶頸，使之能夠實現超過20%的EQE。其中，CA的多功能特性能夠形成取向良好且高度穩定的互變異構體CA配合物，使其與Sn(II)具有強的化學配位，有利于Sn鈣鈦礦薄膜的晶體取向和穩定性，從而改善輻射復合。重要的是，CA -二/三聚體表面配合物協同配位誘導的Sn(II)的電子定位是穩定Sn(II)的關鍵。除了固態電致發光外，這一基本進展還可以廣泛應用于無鉛鈣鈦礦半導體的多種應用。

文獻鏈接：“Tautomeric Mixture Coordination Enables Efficient Lead-Free Perovskite LEDs”（Nature，2023，10.1038/s41586-023-06514-6）

本文由材料人CYM編譯供稿。