使用气相胶结法:实现钙钛矿发光二极管的性能突破

AMZhi-Kuang Tan发光二极管(LED)对照明,显示,传感等等多个领域有重要的应用。钙钛矿材料是近年来引起热点关注的半导体材料。它自2012年在光伏领域掀起研究热潮,实现了媲美传统硅基太阳能电池的性能;钙钛矿在LED方面的应用到2014年被首次实现。

钙钛矿有很多适合做LED的优点:可溶液方法处理,低缺陷密度,天然的高发光量子效率,全色彩,高颜色纯度,薄膜可折叠性。这些优点为未来低成本,制备简易,高色彩饱和度,颜色丰富,可折叠的显示设备开辟了新道路。

实现高效钙钛矿LED面临的挑战之一是如何制备高发光量子效率, 和完整的表面形态的薄膜. 剑桥大学物理系的光电子组发展了一种新的处理方法, 能够制备完整的不受大多数溶液破坏的钙钛矿纳米晶体薄膜,其光致发光量子效率最高可达85%。这种方法中, 气态的三甲基铝被用来通过一个真空腔体处理CsPbX3纳米晶体的薄膜。这样的简单处理能够将CsPbI3的薄膜的光致发光量子效率提高3倍。同时量子晶体被有效胶结,不能再被溶解溶剂洗掉。对反应机理的进一步研究发现,三甲基铝有效的穿透到所有纳米晶之间的间隙,与纳米晶的配体反应。在暴露到空气中的水之后,最终形成的铝氧化合物的网络能够阻止了纳米晶体被洗掉。同时,这种铝氧化合物能够有效钝化CsPbI3的表面,提高了CsPbI3薄膜的量子效率。研究者同时发现这个胶结方法能够有效的应用到其他类型的量子点器件中。这种可大规模生产的方法也会对量子点的工业处理有相当的吸引力。使用这种方法,研究人员实现了全色的钙钛矿LED。其中深红色CsPbI3 LED的外量子效率高达5.7%,这是迄今最有效的纳米晶体钙钛矿发光二极管之一。在LED的光谱表征过程中,研究人员发现相比较于发光光谱稳定的纯卤素发光二极管,混合卤素的钙钛矿发光二极管的电致发光光谱具有红移的性质。其红移的机制还在进一步研究中。

相关工作发表于Advanced Materials( DOI: 10.1002/adma.201600064)。 该工作由通信作者Neil. C. Greenham教授(剑桥大学物理系),陈致匡(Zhi-Kuang Tan)教授 (现在新加坡国立大学化学系),第一作者博士生李广如,以及其他团队成员共同完成。

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