北理工《Nature》子刊：原位制备纳米晶薄膜的尺寸控制，用于高效蓝光LED！

在钙钛矿型电致发光器件（PeLEDs）领域，由于缺乏制备方法，蓝色电致发光器件的性能落后于其他同类器件。在此，来自北京理工大学，中国科学院大连化学物理研究，中国科学院上海应用物理研究所的研究人员利用2-苯基乙胺溴化物（PEABr）和3,3-二苯基丙胺溴化物（DPPABr）的混合配体原位制备了CsPbClBr₂纳米晶薄膜。由于形成了较窄的量子阱宽度分布，将两种配体混合在一起，在470nm处获得了强的蓝光发射，其光致发光量子产率高达60%。在此基础上，在473 nm处获得了最大外量子效率为8.8%的高效蓝光钙钛矿器件。相关论文以题目为“Dimension control of in situ fabricated CsPbClBr₂ nanocrystal films toward efficient blue light-emitting diodes”发表在Nature Communication期刊上。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-020-20163-7

钙钛矿型发光二极管(PeLED)因其高颜色纯度、高外量子效率(EQE)和溶液可加工性而成为一种新兴的显示技术。利用金属卤化物钙钛矿的离子特性，通过在目标衬底上旋涂钙钛矿前驱体溶液的原位制备技术，可以直接制备出PELED。自2014年首次报道室温工作的钙钛矿型电致发光(EL)器件以来，绿色、红色和近红外PeLED的最大EQE已超过20%，可与有机发光二极管和量子点发光二极管相媲美。然而，蓝色PeLED的性能仍然落后于它们的绿色、红色和近红外发光二极管，特别是在纯蓝色区域(455-475 nm)的显示应用，这是发展全色显示技术的障碍。

通常，钙钛矿型发光体的光谱调制可以通过调节成分、尺寸和/或尺寸来实现。通过减小块体钙钛矿的尺寸或引入混合卤化物，成功地制备了具有蓝色发光的三维钙钛矿纳米晶。然而，基于这种小尺寸的钙钛矿纳米晶的蓝色电致发光器件的效率和稳定性问题主要是由于复杂的提纯和相分离。实现高效蓝色PeLED的另一种策略是构建具有多量子阱的准二维(准2D)钙钛矿结构。这些准2D钙钛矿的光致发光(PL)性质与从小n畴到大n畴的能量传递密切相关。研究发现，平坦的准2D钙钛矿量子阱宽度分布(QWD)对于促进载流子输运和减少额外能量损失对于实现高性能光伏器件是必不可少的。然而，QWD对EL器件的影响研究较少。

据了解，QWD可以通过调节前体混合物的比例或配体工程来控制。在此，证明了使用双配体是控制原位制备的CsPbClBr₂纳米晶薄膜的QWD的有效策略。2-苯基乙胺溴化物（PEABr）是形成小n结构域的有效配体，而3,3-二苯基丙胺溴化物（DPPABr）是形成大n值的有效配体。明智地选择两个配体的比例可以缩小QWD，中心支配n=4。这种有效的尺寸控制有助于有效的能量转移，在470nm波长处产生强的蓝光发射，PL量子产率（PLQY）高达60%。利用具有形成小n域和大n域倾向的双配体是实现窄QWD以提高PL性质的一种多用途策略。以PEABr和DPPABr混合制备的优化薄膜为基础，在473nm波长处获得了最大EQE为8.8%的高效蓝光电致发光器件。（文：爱新觉罗星）

图1 CsPbClBr₂纳米晶薄膜的结构特征。CsPbClBr₂纳米晶薄膜原位制备工艺示意图。研究了DPPABr与PEABr不同配比的CsPbClBr₂纳米晶薄膜GIWAXS图形的积分强度q关系。

图2 CsPbClBr₂纳米晶薄膜的光学测量。研究了DPPABr与PEABr不同配比的CsPbClBr₂纳米晶薄膜的稳态光致发光光谱、吸收光谱和b-PLQYs。

图3 QWD对其载流子动力学的影响。a、b从D0P8、D4P4和D8P0样品的宽漂白峰（425–470nm）中提取a峰和b半高宽演变。c激发后载流子行为示意图。载流子复合过程可分为五个阶段：Ⅰ、载流子形成；Ⅱ、激子转移；Ⅲ、电荷转移；Ⅳ、反向电荷转移；Ⅴ、连续电荷转移和复合。

图4蓝色钙钛矿器件特征。电致发光器件的能级图。多层电致发光器件的横截面TEM图像。c 3.6、4.4和5.2V正向偏压下的EL光谱。d最佳性能器件的电流密度-亮度-电压特性。EQE–最佳性能设备的电压特性。f 28台设备的最大EQE直方图。