可溶液加工的金屬鹵化物鈣鈦礦具有發(fā)光顏色純度高、發(fā)射波長可調(diào)制和電荷傳輸?shù)男阅軆?yōu)異等特性，因此，它們被認(rèn)為是低成本，高柔性和輕量級高性能發(fā)光二極管 (LED)的發(fā)光層材料的潛在候選者。
在過去十年中，鈣鈦礦LED的性能得到了廣泛的優(yōu)化，通常是通過結(jié)合分子添加劑，鈣鈦礦LED已經(jīng)實現(xiàn)了超過 20% 的外量子效率 (EQE)。更高效的鈣鈦礦LED不斷涌現(xiàn)引起了廣泛關(guān)注，于此同時，在低亮度下，其穩(wěn)定性得到了提高。
然而，多數(shù)鈣鈦礦LED的高EQE和改進(jìn)的穩(wěn)定性主要是在低電流密度(<1 mA cm?2)和低亮度下實現(xiàn)的，這無疑阻礙了它們的實際應(yīng)用。因此，在高亮度下保持 EQE 和穩(wěn)定性已經(jīng)成為鈣鈦礦LED商業(yè)化的主要挑戰(zhàn)。
近日，由英國劍橋大學(xué)與中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)等聯(lián)合團(tuán)隊通過引入一種多功能分子MSPE，設(shè)計了一種近紅外波段高亮度下可以保持高效率和穩(wěn)定性的鈣鈦礦LED，以“Bright and stable perovskite light-emitting diodes in the near-infrared range”為題發(fā)表于Nature，于2023年3月15日正式上線。
在這項工作中，研究者通過設(shè)計一種多功能分子 2-(4-(甲基磺?；?/span>)苯基)乙胺 (MSPE)(圖 1)來控制三維立方相(α-相) FAPbI3鈣鈦礦薄膜的光電、晶態(tài)和形態(tài)特性。
圖1: a, MSPE分子結(jié)構(gòu). b, 一個完整MSPE LED 的STEM–HAADF 圖像.(原文Fig. 1a, b)
MSPE提高了結(jié)晶度和光致發(fā)光 (PL) 效率，并通過去除鈣鈦礦薄膜中的非輻射暗區(qū)來誘導(dǎo)均勻發(fā)光(圖2)。作為一種多功能添加劑，MSPE在不連續(xù)鈣鈦礦晶粒之間的自組裝還抑制了電荷傳輸層界面處的發(fā)光淬滅。此外，MSPE 器件顯示焦耳熱減少，這允許LED在超高電流密度下保持高 EQE 并減少熱降解。通過全面抑制薄膜和器件中的非輻射路徑，研究者實現(xiàn)了在高亮度下高效且穩(wěn)定性的近紅外鈣鈦礦 LED。
圖2: a,c控制組鈣鈦礦薄膜(無MSPE)與添加MSPE 鈣鈦礦薄膜的光致發(fā)光強(qiáng)度(左)與壽命(右)分布對比. b,d, 鈣鈦礦薄膜電荷載流子動力學(xué). (原文Fig. 3a-d)
這種鈣鈦礦LED發(fā)出800nm 近紅外光，可以在電流密度為33mA cm?2時，達(dá)到 23.8% 的峰值EQE，并在高達(dá)1000mA cm?2的電流密度下，保持超過 10% 的 EQE。在脈沖操作的模式下，鈣鈦礦LED在4000mA cm?2的超高電流密度下，能夠保持 16%的EQE以及超過3200W sr-1m-2的高亮度。值得注意的是，該鈣鈦礦LED在 107W s-1m-2的初始亮度下，實現(xiàn)了32小時的工作半衰期，這代表了高效率鈣鈦礦LED在高亮度下最佳的穩(wěn)定性(圖3)。
圖3: 報道的近紅外LED的峰值EQE和峰值亮度(左，原文Fig. 1g). 報道的不同發(fā)光顏色的鈣鈦礦LED器件壽命和初始亮度(右，原文Fig.S4b)
該結(jié)果表明，可低溫溶液處理的鈣鈦礦 LED 有潛力在高亮度下實現(xiàn)高效率和穩(wěn)定性，這是邁向商業(yè)化的重要一步，也開辟了超越傳統(tǒng) LED 技術(shù)(例如鈣鈦礦電泵浦激光器)的新機(jī)遇。
