Small:双配体策略改善表面配体结合能,助力蓝光钙钛矿LED性能提升

金属卤化物钙钛矿材料是光电领域的新一代明星材料。由于钙钛矿具有易于溶液制备、组分带隙易调、荧光量子效率高、半峰宽窄和电子-空穴传输能力相当等优点而被用于发光二极管作为发光层材料。经过短短几年的快速发展,红光和绿光钙钛矿LED的性能迅速提升,外量子效率都已超过20%。然而,蓝色钙钛矿LED是研究的短板,存在光谱不稳定、效率低、稳定性差等问题。在三维钙钛矿的基础上引入有机配体,形成具有层装结构的准二维钙钛矿,利用其量子限域效应是实现蓝光发射的一个有效方法。然而,准二维钙钛矿的晶粒小,晶界的比例更大,因此晶界处的缺陷对薄膜的荧光强度具有重要影响。如果表面配体与钙钛矿结合不牢固,会导致辐射复合的比例下降,薄膜荧光量子产率降低。此外,采用Cl掺杂的准二维钙钛矿在电场作用下,容易发生Cl、Br相分离,导致器件的EL光谱发生偏移,严重影响器件的稳定性。因此要提升蓝光钙钛矿LED的性能,就必须克服上述问题。

北京化工大学谭占鳌教授联合华北电力大学王福芝副教授,提出了一种通过双配体来改善准二维钙钛矿表面配体稳定性,提升薄膜荧光量子产率,进而制备高效蓝光钙钛矿LED的策略。相关论文在线发表在Small (DOI:10.1002/smll.202002940)上。

图 1.(a)基于PEA和iBA双配体的准二维钙钛矿结构及能带变化示意图,基于不同配体(PEA:iBA)比例的准二维钙钛矿的(b)紫外-可见吸收光谱、(c)荧光光谱及(d)光学照片。

苯乙胺基团(PEA)具有较高的三线态能级,激子不易被其捕获发生淬灭,因此在准二维蓝光钙钛矿中被广泛采用。但是作者通过分子动力学计算发现,PEA与CsPbBr2.1Cl0.9钙钛矿之间的结合能较低(-3.89eV),引入适量异丁胺基团(iBA)后能够有效地改善表面配体结合能(-4.44eV),增强了钙钛矿薄膜的光学性能。如图1所示,通过调整PEA与iBA的比例,可以改善薄膜内二维相的比例分布,使得薄膜的荧光量子产率由21%提升至45%。

通过调控PEA与iBA的比例,可以改善薄膜内二维相的比例分布,合理的相分布可有效提升电子和空穴的注入和传输性能。AFM和PL mapping测试表明,双二维阳离子的引入使钙钛矿薄膜的形貌更加平整,发光峰分布更加均匀(集中在475nm),局部发光强度大幅提升。