北京滚球体育 大学田建军团队Adv. Mater.:高亮度和稳定的钙钛矿量子点纯蓝色发光二极管


【引言】

金属卤化物钙钛矿发光二极管(PeLEDs)因其荧光产率高、色域宽(≈140%)、发射峰窄等优点,成为超高清显示的理想元件之一。近年,最先进的绿光和红外光PeLEDs的外量子效率(EQE)超过20%,但是纯红光和蓝光PeLEDs的亮度、EQE仍然很低。尽管天蓝色PeLEDs(波长范围:480-490nm)的EQE已经提升到10%以上,但这个波长范围还不能满足国家电视系统委员会(NTSC)标准纯蓝光(波长460-470 nm)的要求,这严重阻碍了PeLEDs在显示技术中的应用。因此,设计满足NTSC标准的高性能纯蓝PeLED仍然是一个尚未解决的挑战。

一般来说,利用组分工程和量子限域等策略可以纯蓝光的钙钛矿。在组分工程方面,混合卤化物(Br和Cl)钙钛矿可以充分进行带隙裁剪,覆盖整个蓝色光谱范围。然而,混合卤化物会导致晶格失配和相分离,从而削弱了PeLEDs的性能。此外,由于Cl空位的形成能量较低,很容易在钙钛矿中形成Cl空位,在此过程中诱导带隙内更深的缺陷;这将不可逆地捕获电荷载流子,并极大地抑制辐射重组,从而导致PeLEDs的效率较差。此外,这些缺陷可以通过诱导卤化物离子迁移来促进PeLEDs的降解,导致结构稳定性差。单卤化物(Br)钙钛矿可以利用量子限域效率,通过减小其尺寸蓝移到纯蓝光,比如尺寸为≈4 nm的CsPbBr3量子点(QDs),可以防止PeLEDs的相分离和Cl空位的产生。然而,对于小尺寸的QDs来说,它们巨大的表面体积比仍然促进了大量表面缺陷的产生,导致QDs荧光产率低和稳定性差,难以获得高性能PeLEDs。更重要的是,纯蓝光PeLEDs亮度低(<1000cd m-2),且稳定性差、寿命非常短,通常在几秒或几分钟的范围内,最高报道的工作半衰期不足1小时。

【成果简介】

近日,北京滚球体育 大学田建军教授(通讯作者)团队设计了一种新型的酸蚀驱动的配体交换策略,获得了超低缺陷态密度和高稳定性的纯蓝光(465 nm)、小尺寸(≈4nm)CsPbBr3钙钛矿量子点(QDs)。该策略是先使用酸溴化氢(HBr)来蚀刻不完美的[PbBr6]4-八面体,从而去除表面缺陷和过多的羧酸盐配体。再先后引入十二烷基胺和苯乙胺来键合QDs剩余未配位的位点,并与原有长链有机配体进行原位交换,从而达到97%的量子荧光产率,而且其稳定性得到显著提高。基于该QDs的PeLEDs表现出纯蓝光的电致发光(470 nm)和EQE为4.7%。而且,其亮度为3850 cd m-2,这是迄今为止报道的纯蓝光PeLEDs的最高亮度。此外,该PeLEDs还表现出强大的耐久性,在连续工作的情况下,半衰期超过12小时,这也是蓝光PeLEDs当前报道的最高值。该成果以题为“Perovskite Quantum Dots with Ultralow Trap Density by Acid Etching-Driven Ligand Exchange for High Luminance and Stable Pure-Blue Light-Emitting Diodes”发表在了Adv. Mater.上。

【图文导读】

图1 酸蚀驱动的配体交换过程

a)本策略的示意图。

b)FTIR结果。

c)Pb-4f的高分辨率XPS光谱。

d)原始、蚀刻和处理的量子点的时间分辨PL衰减谱。

图2 量子点的形貌和光学性能

a)原始和b)处理过的CsPbBr3QDs的TEM图像。插图显示了相应的高分辨率TEM和FFT谱。比例尺:2 nm。

c)原始和已处理量子点的PL和吸收光谱。

d)的瞬态吸收(TA,激发354 nm)漂白恢复曲线的演变,e)原始和f)处理的QDs在紫外线(UV)照射不同时间后的PL光谱。插图:紫外线照射不同时间后的原始和经过处理的量子点的照片。

图3 PeLED的器件结构和电致发光性能

a)器件结构。

b)器件TEM(STEM)横截面图。

c)QD薄膜的PL和PeLEDs的EL。

d)PeLEDs的CIE坐标。

图4 PeLEDs的性能和稳定性

a)PeLEDs的电流密度和亮度与偏置电压的关系。

b)PeLEDs的EQE与电流密度的关系。

c)在不同的工作电压下,PeLEDs的EL光谱。

d)在初始亮度为102 cd m-2的情况下,PeLEDs的工作半衰期T50

【小结】

这项工作将酸蚀和配体交换结合起来,制备出高质量的纯蓝色发光钙钛矿CsPbBr3QDs。强酸性HBr蚀刻了具有空位缺陷的不完美八面体,并从QDs中去除多余的羧酸盐配体。然后,通过短支链DDDAM链和PEA物种之间的配体交换过程,随后与QDs表面形成强的L型配位作用。这一策略显著提高了QDs的稳定性,消除大量缺陷,获得97%的量子荧光产率。基于该QDs的PeLEDs表现出纯蓝光发射(470nm)和4.7%的EQE,符合NTSC和Rec.2020标准,是一种理想的蓝光发射。3850cd m-2的亮度和12小时的半衰期也是迄今为止所报道的纯蓝光PeLEDs的最高亮度和稳定性表现。因此,这一策略为推动PeLEDs的发展和应用提供了一种途径。

文献链接:Perovskite Quantum Dots with Ultralow Trap Density by Acid Etching-Driven Ligand Exchange for High Luminance and Stable Pure-Blue Light-Emitting Diodes(Adv. Mater.,2021,DOI:10.1002/adma.202006722)

本文由木文韬翻译,欧洲足球赛事 整理编辑。

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