研究背景
隨著光電子器件技術(shù)的迅速發(fā)展，鈣鈦礦發(fā)光二極管（PeLEDs）因其出色的色彩純度和從藍色到近紅外的廣泛可調(diào)發(fā)射波長，成為了下一代高色域顯示和成本效益照明的重要選擇。特別是藍色PeLEDs，以其理想的色域覆蓋和大面積應用前景，吸引了廣泛關注。然而，與綠色和紅色PeLEDs相比，藍色PeLEDs的性能仍遠遠滯后。當前，藍色PeLEDs的最大外量子效率（EQE）為21%（在483 nm時），但在470 nm或更短的峰值波長下，該效率通常下降到約10%，遠低于綠色和紅色PeLEDs的水平。這一問題的根源在于鈣鈦礦材料的氯（Cl）摻入和鈣鈦礦材料的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。鈣鈦礦中溴（Br）和氯（Cl）的混合被廣泛應用于帶隙工程，以實現(xiàn)可調(diào)的藍色發(fā)射。然而，隨著發(fā)射峰向深藍色的移動，Cl與Br的比例增加，導致Cl摻入的比例顯著提高，這可能對材料的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性產(chǎn)生負面影響，導致鹵素分離，并通過深能級缺陷影響輻射復合效率。此外，高Cl摻入還可能降低CsPb(Brx/Cl1?x)3的價帶最大值，相較于CsPbBr3產(chǎn)生更深的能帶變化，這對PeLEDs的性能產(chǎn)生了額外挑戰(zhàn)。為了應對這些問題，科學家們嘗試了不同的策略，包括優(yōu)化前體合成工藝、調(diào)整封端配體以及優(yōu)化晶體取向。然而，這些方法仍然無法有效解決Cl缺陷對藍色PeLEDs性能的顯著影響。最近，研究者們引入了一種新策略，即在鈣鈦礦晶格的A位進行銣（Rb）補償，以減少Cl含量并抑制非輻射缺陷的形成。這一策略在一定程度上提高了藍色PeLEDs的光致發(fā)光量子效率（PL QY），并在發(fā)射峰范圍內(nèi)實現(xiàn)了創(chuàng)紀錄的高效率。 為了解決這些問題，浙江大學葉志鎮(zhèn)院士、戴興良，狄大衛(wèi)等人在“Sci. Adv.”期刊上發(fā)表了題為“Highly efficient blue light-emitting diodes based on mixed-halide perovskites with reduced chlorine defects”的最新論文。本研究通過構(gòu)建一系列CsPb(Brx/Cl1?x)3納米晶體，全面研究了Cl含量對藍色PeLEDs性能的影響。研究表明，Cl含量對PL QY具有極高的敏感性，這與深層陷阱態(tài)的形成密切相關。通過在A位引入Rb進行氯補償，減少了Cl含量，同時保持了所需的發(fā)射波長，顯著提高了PL QY。這一研究解決了藍色PeLEDs在氯缺陷方面的關鍵問題，并通過提高發(fā)射峰在460至480 nm范圍內(nèi)的EQE，推動了高效藍色PeLEDs的發(fā)展。
科學亮點
1. 實驗首次系統(tǒng)研究了氯（Cl）含量對藍色鈣鈦礦發(fā)光二極管（PeLEDs）性能的影響，構(gòu)建了一系列CsPb(Brx/Cl1?x)3納米晶體。這一研究揭示了Cl相關的非輻射缺陷對藍色PeLEDs性能的關鍵作用，即使氯含量略有增加，也會顯著降低外量子效率（EQE）。通過調(diào)節(jié)Cl含量，本文取得了在不同發(fā)射波長下的高效藍色PeLEDs，尤其是在發(fā)射峰位為460至480 nm的范圍內(nèi)。 2. 實驗通過在鈣鈦礦晶格的A位引入銣（Rb）進行Cl含量的微調(diào)，成功抑制了非輻射缺陷的形成，從而顯著提高了光致發(fā)光量子效率（PL QY）。這一策略使得藍色PeLEDs在發(fā)射峰位為460 nm、465 nm、470 nm、475 nm和480 nm的波長范圍內(nèi)，分別實現(xiàn)了12.0%、16.7%、21.3%、24.3%和26.4%的創(chuàng)紀錄EQE。研究結(jié)果表明，通過控制Cl缺陷，可以實現(xiàn)高效藍色PeLEDs的關鍵設計原則，為未來高色域顯示器件的發(fā)展提供了新的思路。3. 通過使用超薄單層納米晶體和預合成的方法，本文克服了藍色PeLEDs中由于鹵素分離引起的光譜不穩(wěn)定性，并提供了更深層次的光電特性控制。這一方法不僅提高了發(fā)光效率，還擴展了鈣鈦礦發(fā)光體的應用范圍，為大面積、高性能光電器件的制造奠定了基礎。
圖文解讀
科學啟迪
本文研究揭示了氯（Cl）含量對藍色鈣鈦礦發(fā)光二極管（PeLEDs）性能的深遠影響，為未來高效藍色PeLEDs的設計和優(yōu)化提供了重要意義。研究表明，氯摻入會引發(fā)深能級缺陷，顯著降低發(fā)光效率，即使在氯含量僅有微量增加的情況下，也會導致外量子效率（EQE）的顯著下降。這一發(fā)現(xiàn)突出了非輻射復合損失在PeLEDs性能中的重要性，同時也表明了控制氯含量對于提升藍色PeLEDs性能的關鍵作用。進一步地，通過采用銣（Rb）補償策略，在鈣鈦礦晶格的A位引入Rb能夠有效地減少Cl含量，抑制非輻射缺陷的形成，并顯著提高光致發(fā)光量子效率（PL QY）。這一策略不僅改善了發(fā)光性能，還保持了顯示應用所需的發(fā)射波長穩(wěn)定性，創(chuàng)造性地解決了氯引發(fā)的性能問題。這一策略的成功實施為藍色PeLEDs的設計提供了一條新的思路。此外，本文的研究方法展示了預合成納米晶體和調(diào)節(jié)鈣鈦礦晶體結(jié)構(gòu)的有效性，表明通過精確調(diào)控材料的成分和結(jié)構(gòu)，可以實現(xiàn)對光電性能的深入優(yōu)化。未來的研究可以在此基礎上進一步探索前體合成工藝、封端配體和晶體取向的優(yōu)化，以減少氯相關缺陷，推動高效藍色PeLEDs的發(fā)展。這為光電器件領域提供了新的設計原則和優(yōu)化方向，具有廣泛的應用潛力。Yun Gao et al. ,Highly efficient blue light-emitting diodes based on mixed-halide perovskites with reduced chlorine defects.Sci. Adv.10,eado5645(2024).DOI:10.1126/sciadv.ado5645
