新型多量子阱钙钛矿材料—-基于垒宽调控的钙钛矿发光二极管

钙钛矿发光二极管(LED)因可低成本的制备成大面积柔性器件,色纯度高,颜色可调等特性吸引了越来越多的研究者关注。普通的三维钙钛矿发光效率受限于缺陷态导致的强非辐射复合,基于多量子阱钙钛矿发光层通过把激发态局域化能有效的避免这个问题。相对于传统三维钙钛矿发光层,多量子阱钙钛矿发光层是由不同层数(n)的二维钙钛矿组合而成,其中角-角共享的八面体无机卤化物形成天然的‘势阱’,而大分子有机铵盐形成天然的“势垒”。这种多量子阱结构呈现出了较强的量子限域效应与较高的荧光效率。此外,大分子有机物作为保护层,可以提高钙钛矿薄膜对水、光、热及电场下的稳定性。但是,有机大分子作为势垒的存在同样减弱了内部电荷的传输能力,进而影响了LED器件性能,尤其是在可见光波段。此前,通过减小前驱体组分中有机大分子与小分子(如MA+、FA+、Cs+)比值,使准二维多量子阱钙钛矿薄膜的成分更加接近三维钙钛矿,可以有效提高电荷传输与器件效率,然而却极大的消弱了器件的稳定性。

近日,南京工业大学王建浦教授课题组通过分子结构工程,调控钙钛矿多量子阱的垒宽,提高电荷传输性能,从而实现高性能绿光钙钛矿LED。该研究团队通过研究大分子芳香胺链长对多量子阱垒宽的影响,指出当链长越短,垒宽越小,相应薄膜的电荷迁移率就越高。当引入无侧链结构的苯并咪唑作为势垒,其刚性芳香环1,3位N上的H能直接与无机八面体结构中的卤素原子产生氢键作用,使势垒宽度降低至1.4 nm,因而显著提高了多量子阱钙钛矿薄膜的迁移率。同时此类基于苯并咪唑形成的多量子阱钙钛矿薄膜,在低的光辐照强度下(~ 0.1 mW cm-2)荧光量子效率均呈现在40%以上,表现出高效的多量子阱钙钛矿发光特性。其绿光发光二极管在6V电压下,亮度达到30000 cd m-2,外量子效率为7.7%。器件在恒定电流下,从初始亮度1330 cd m-2持续衰减到一半的寿命为1小时,显著提高了绿光钙钛矿LED的稳定性。该研究结果表明通过分子层面设计、调控钙钛矿多量子阱的结构,可以实现高性能钙钛矿发光薄膜,这为制备高效、稳定的钙钛矿LED提供了一个新思路。相关文章在线发表在 Advanced Optical Materials (DOI: 10.1002/adom.201801575)上。

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