Adv.Mater.：一种高效的红光LED-基于湿法加工的多量子阱钙钛矿材料

【引言】

有机金属卤化物钙钛矿发光二极管 (PeLEDs)，凭借其在湿法加工、低成本显示、适配光源等领域的潜力，成为当今研究的热点。但要获得高效率的PeLEDs，需要制备出具有统一形貌的高效率发射薄层，这至今仍是一个挑战。传统基于三维钙钛矿材料的LED的效率受限于发射层中由缺陷和针孔形成的非辐射损失通道。二维钙钛矿材料具有极好形貌，是自然形成的量子阱，然而以前的研究表明，由于二维钙钛矿材料中激子和声子的强相互作用很强，其室温下的光致发光效率很低。最近的研究表明具有能量串级多量子阱结构的二维PeLEDs的光致发光效率能得到显著的提高，其之所以有这么高的光致发光效率是因为能量能够快速地从宽带隙的量子阱转移到有效辐射衰变发生的窄带隙量子阱。而且基于多量子阱的PeLEDs在近红外区域外量子效率高达11.7%，其在可见光区域能否有类似的高性能也是现在的一个研究热点。对于发射可见光的PeLEDs，基于三维的CH₃NH₃PbBr₃薄膜就可以就实现高效的绿光发生，但是红光三维有机金属卤化物钙钛矿发光二极管的外量子效率只有0.2%，这是由于I-Br混合钙钛矿薄膜的卤化物相分离引起的发射层光激发光量子效率过低。有研究表明基于CsPbI3纳米晶体的LED具有5.7%外量子效率和206 cd m−2最大亮度，展示出了利用量子限制效应制备高性能红光PeLEDs的潜力，但其制备过于复杂，这不仅耗时，而且大大限制了其的大规模生产。

【成果简介】

近日，来自南京工业大学的黄维和王建浦（共同通讯作者）用一种简单可扩展的方法成功制备出了纯红光高效钙钛矿发光器件，大大推动了有机金属卤化物钙钛矿发光二极管的应用。

研究人员把无机小阳离子Cs引入到多量子阱结构的钙钛矿薄膜中，从而制备出纯红光高效钙钛矿发光器件。多量子势阱结构不仅有利于立方CsPbBr₃钙钛矿结构在低温下的建立，还能够让Cs基多量子势阱提供纯净稳定的红色电致发光。这种通用的制备多量子势阱钙钛矿材料的方法，能够让控制发射层的结晶度和形貌有很高的自由度。器件中包含的氯化物能进一步提高Cs基钙钛矿多量子势阱的结晶度和光学性能，让器件具有低的开关电压（2v）, 高的外量子效率（最大3.7%），高的亮度（4v电压下约为440 cd m⁻²）。这些性能测试结果显示Cs基钙钛矿多量子势阱LED是性能最优的红光钙钛矿LED。而且该钙钛矿LED具有创纪录的稳定性，在10 mA cm⁻²恒定电流密度下器件的寿命超过5个小时。

研究人员的相关工作显示多量子势阱钙钛矿材料在用大规模生产制备出可见光范围高性能LED上具有巨大潜力，这对低成本照明和显示领域有巨大吸引力。

【图文导读】

图1  钙钛矿多量子势阱薄膜

（a）NCPI₇ 和 NCPI₆Cl多量子势阱薄膜高度方向AFM形貌图。

（b）(NMA)₂PbI₄、NCPI₇和 NCPI₆Cl薄膜的XRD图谱。

图2  NCPI₇ 和 NCPI₆Cl 薄膜的光性能

（a）石英衬底上NCPI₇多量子势阱薄膜吸收光谱和光致发光光谱（激发光波长为445nm）,其中光致发光谱被对数标尺规范化（蓝线），光致发光谱被直线标尺规范化（红色虚线）。

（b）不同发射能量条件下，NCPI₇多量子势阱薄膜光致发光激发谱。

（c）不同发射能量条件下，NCPI₇多量子势阱薄膜时间解析的光致发光衰减顺变谱，发射的光子能量越低就说明光致发光衰减时间就越长。

（d）NCPI₇ 和 NCPI₆Cl多量子势阱 薄膜光致发光量子效率与激发密度关系曲线。

图3  NCPI₇ 和 NCPI₆Cl 钙钛矿LED器件性能

（a）平带能级图（NCPI₇）。NCPI₇的能级数值是来源于文献。

（b）NCPI₇ 和 NCPI₆Cl 钙钛矿LED器件电致发光谱线。

（c）NCPI₇ 器件相应的色度坐标。

（d）驱动电压下电流密度与亮度的关系曲线。

（e）外量子效率、发光效率与亮度的关系曲线。

（f）NCPI₇ 和 NCPI₆Cl 钙钛矿LED器件外量子效率峰值柱状图。

图4  NCPI₆Cl 钙钛矿LED器件稳定性测量结果

（a）10 mA cm⁻²恒定电流密度下, NCPI₆Cl 电致发光器件标准化外量子效率。

（d）NCPI₆Cl 器件光致发光曲线随着时间的偏差。

【小结】

研究人员把无机小阳离子Cs引入到多量子阱结构的钙钛矿薄膜中，成功制备出色坐标为（0.73, 0.27）的纯红光高效钙钛矿发光器件（外量子效率为3.7%），并且器件寿命可以提高到5 h。此结果表明钙钛矿多量子阱结构在可见光区间同样有潜力实现高效、稳定的钙钛矿发光器件。

文献链接：Efficient Red Perovskite Light-Emitting Diodes Based on Solution-Processed Multiple Quantum Wells（Advanced  Materials,2017, Doi/10.1002/adma.201606600/full）

本文由材料人电子电工学术组一棵松供稿，材料牛整理编辑。

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