【儀表網 研發快訊】近日，中國科學技術大學姚宏斌、樊逢佳、林岳、胡偉四個課題組通力合作，在純紅鈣鈦礦發光二極管(LED)領域取得重要進展。團隊自主發明了電激發瞬態光譜(EETA)技術，并用該技術揭示出空穴泄漏是導致純紅三維鈣鈦礦LED效率滾降的關鍵因素，并開發出新型三維鈣鈦礦異質結發光層降低空穴泄漏(圖1)，成功制備出高性能純紅鈣鈦礦LED。北京時間5月7日，相關研究成果以“Intragrain 3D perovskite heterostructure for high-performance pure-red perovskite LEDs”為題，發表在Nature期刊上，標志著純紅鈣鈦礦LED技術取得重要進展。
 

圖1 鈣鈦礦三維異質結限抑制LED中空穴泄漏
 

　　當前，已報道的高性能純紅鈣鈦礦LED(外量子效率超20%)主要使用準二維和小尺寸量子點鈣鈦礦，然而受限于其低載流子遷移率，亮度難以提升。三維混合鹵化物鈣鈦礦(例如CsPbI3-xBrx)有高載流子遷移率，但是目前使用CsPbI3-xBrx三維鈣鈦礦LED效率在亮度升高時下降嚴重，由于缺乏LED原位表征設備，背后機理不明。
 

　　針對此問題，團隊成員利用自主發明的EETA技術給CsPbI3-xBrx基LED“拍片子”，發現空穴泄漏到電子傳輸層是三維CsPbI3-xBrx基LED的性能瓶頸。EETA結果指出更好地限域空穴、抑制其泄漏是實現高性能CsPbI3-xBrx基純紅LED的關鍵。為了提升鈣鈦礦的載流子限域能力，團隊提出一種全新的三維鈣鈦礦異質結設計，該異質結材料內部存在窄帶隙發光體和限域載流子的寬帶隙能壘。其中寬帶隙材料是通過在部分CsPbI3-xBrx晶格中插入與鉛鹵骨架作用力強、空間位阻低的有機分子，從而引發部分晶格膨脹而實現的(圖2a，b)。通過系統的理論計算與分子設計，成功開發出通過羧基、氨基和磺酰基等多功能基團與鉛鹵骨架形成穩定結合的有機分子，并實現寬帶隙相的精準引入(圖2c)。通過此方法，團隊得到含有異質結構且三維骨架連續的鈣鈦礦材料，在實現載流子限域的同時保持高遷移率。所獲得的三維鈣鈦礦異質結構被高分辨透射電鏡充分驗證(圖2d-i)。
 

圖2 三維CsPbI3-xBrx鈣鈦礦異質結的設計與材料表征
 

　　通過構建三維CsPbI3-xBrx異質結發光層，純紅鈣鈦礦LED器件的空穴泄漏得到了有效抑制 (圖3a,b)。相應器件的峰值外量子效率(EQE)達到24.2%，最大亮度為24,600 cd m-2(圖3c,d)。并且器件展現出非常低的效率滾降——亮度為22,670 cd m-2時，器件依然具有超過10%的EQE，這優于以往報道的結果(圖3e)。該工作的研究結果展現出三維鈣鈦礦異質結材料設計在發展高效、明亮且穩定鈣鈦礦LED方面的巨大潛力。
 

圖3 三維異質結CsPbI3-xBrx基純紅LED的性能
 

　　中國科學技術大學宋永慧(博士)、李波(博士后)、王子健(博士研究生)和臺曉琳(博士研究生)為本文的共同第一作者，中國科學技術大學姚宏斌教授、樊逢佳教授、林岳教授和胡偉教授為本論文的共同通訊作者，EETA技術的發展得到了杜江峰院士的大力支持。本工作得到國家自然科學基金委、科技部等基金支持。理化科學實驗中心為本課題的開展提供了SEM、PL、UV-vis、球差電鏡等表征設備的支持。