北科大AFM: 基于自组装钙钛矿纳米线的高亮度红色发光二极管

【引言】

金属卤化物钙钛矿发光二极管(PeLEDs)由于其高亮度、宽色域、窄带发射和高性价比制造成本等优点，在高清显示技术领域而引起了广泛关注。最近，绿色(~525nm)、深红(650-680nm)和近红外(~800nm) PeLED已经实现了20%以上的外量子效率(EQE)。然而，红光发射(620~650 nm)PeLEDs通常是通过由溴和碘阴离子混合钙钛矿实现的，混合卤素产生的缺陷位点会加快离子迁移速度，增加非辐射损失，导致器件运行时相分离，影响了它们的实际应用。目前，红光PeLED的运行寿命仅是分钟量级，亮度不足2000 cd/m²，这些性能明显落后于近红外和绿光PeLED，阻碍了以PeLED为基础的显示技术的商业化发展进程。因而，探索一种具有高亮度和高稳定性的红光PeLED具有重要的意义。

【成果介绍】

近日，北京科技大学田建军教授团队与北京工业大学隋曼龄教授、卢岳博士团队合作，基于量子限域效应，通过维度实现700 nm至600 nm的发射光谱调控，获得自组装CsPbI₃纳米线及高亮度和稳定的红光PeLED，以“Self-assembled Perovskite Nanowire Clusters for High Luminance Red Light-emitting Diodes”为题发表在最新一期的Adv. Funct. Mater.上。这个工作设计了一种新型的、基于非极性溶剂的配体辅助室温合成，开发出一种规模化自组装CsPbI₃一维纳米线的制备方法。这种纳米线的发射峰位于600 nm，相对于3维体相CsPbI₃的近红外发射(~700nm)，显示出巨大的光谱蓝移，这归因于纳米线一维方向上的量子限域效应。在卤素空位缺陷驱动和胺配体辅助作用下，纳米线沿[011]晶向生长，并发生自组装，促进表面缺陷的自愈合，从而实现91%的量子产率。又由于纳米晶的充分长大和组装，表现出非常优异的结构稳定性和环境稳定性。基于这种自组装CsPbI₃纳米线的PeLEDs，其电致发光峰为620 nm，CIE坐标为(0.66,0.34)，EQE达到6.2%。更为重要的是其亮度达到13,644 cd/m²，是目前红光PeLED报道的最高值。通过加速老化稳定性测试，未封装的器件在初始亮度为11,500 cd m^-2的外界环境条件下运行的半衰期(T₅₀)为13.5分钟，通过加速因子计算得到在100 cd m^-2的条件下器件的T₅₀为694小时。

【图片导读】

图1. 晶体的结构表征。(a-c)低倍放大倍数和(d-f)原子分辨率下的HAADF-STEM图像:(a, d)在合成的最初阶段的纳米晶(NCs)和纳米线(NWs);(b, e)合成中间阶段的NWs;以及(c, f)更大的自组装NWs(团簇)。HAADF-STEM图像均沿[100]区域轴拍摄。(d到f)的插图为对应的FFT模式。(g)自组装的NWs的TEM图像和选区域电子衍射(SAED)。

图2. 晶体的生长和自组装过程。(a)初始NCs、中间相NWs和自组装NWs的XRD图谱、(b) FTIR光谱和(c)高分辨率XPS光谱。(d) NWs的形状演化自组装过程的示意图。

图3. 纳米晶的光学特性。(a)初始NCs、中间相NWs和自组装NWs的吸收光谱、(b) PL光谱和(c)时间分辨的PL瞬态光谱。 (d)初始NCs， (e)中间NWs和(f) 自组装NWs在515 nm激发下的瞬态吸收光谱。

图4. PeLED器件的结构。(a)基于自组装NWs的PeLEDs的结构示意图和(b) STEM横截面图。(c)自组装的NWs薄膜的PL和PeLED器件的EL。(d)PeLED器件的CIE坐标。.

图5. PeLEDs的器件性能和稳定性。(a)电流密度-亮度-电压曲线。(b) EQE-亮度曲线。最大(c) EQE和(d)亮度统计直方分布图。(e)不同工作电压下的EL光谱。(f)PeLED器件的运行稳定性的加速老化测试。

【小结】

这篇文章基于对配体辅助再沉淀法过程中纳米晶生长阶段形核和后续生长过程的调控，通过自组装过程得到了具有高红光荧光量子产率的CsPbI₃纳米线（PLQY = 91%）。制备的红光发射PeLEDs器件实现了记录值的亮度值和运行稳定性。该工作是全无机CsPbI₃纳米晶在红光PeLEDs领域的一个重要工作，将促进PeLED在发光、显示领域的应用。

【文献出处】

Self‐Assembled Perovskite Nanowire Clusters for High Luminance Red Light‐Emitting Diodes. Adv. Funct. Mater., 2020, DOI: 10.1002/adfm.202005990

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202005990

田建军教授和卢岳博士为该工作的通讯作者，博士生毕成浩、胡敬聪和硕士生姚志伟为共同第一作者。