近日,中國科學技術大學姚宏斌、樊逢佳、林岳、胡偉四個課題組合作,在純紅鈣鈦礦發光二極管(LED)領域取得重要進展。該團隊自主發明了電激發瞬態光譜(EETA)技術,利用這一技術揭示了空穴泄漏是純紅三維鈣鈦礦LED效率滾降的關鍵因素,并開發出新型三維鈣鈦礦異質結發光層降低空穴泄漏,制備出高性能純紅鈣鈦礦LED。

當前,已報道的高性能純紅鈣鈦礦LED主要使用準二維和小尺寸量子點鈣鈦礦,而受限于其低載流子遷移率,亮度難以提升。三維混合鹵化物鈣鈦礦如CsPbI_3-xBr_x具有高載流子遷移率,但目前使用CsPbI3-xBrx三維鈣鈦礦LED效率在亮度升高時嚴重下降。同時,由于缺乏LED原位表征設備,背后機理不明。

該團隊利用EETA技術給CsPbI_3-xBr_x基LED“拍片子”,發現空穴泄漏到電子傳輸層是三維CsPbI_3-xBr_x基LED的性能瓶頸。EETA結果提出,更好地限域空穴、抑制其泄漏是實現高性能CsPbI_3-xBr_x基純紅LED的關鍵。為提升鈣鈦礦的載流子限域能力,團隊提出了全新的三維鈣鈦礦異質結設計。這一異質結材料內部存在窄帶隙發光體和限域載流子的寬帶隙能壘。其中,寬帶隙材料是通過在部分CsPbI_3-xBr_x晶格中插入與鉛鹵骨架作用力強、空間位阻低的有機分子,從而引發部分晶格膨脹而實現。團隊通過系統的理論計算與分子設計,開發出通過羧基、氨基和磺酰基等多功能基團與鉛鹵骨架形成穩定結合的有機分子,并實現寬帶隙相的精準引入。通過這一方法,團隊得到含有異質結構且三維骨架連續的鈣鈦礦材料,在實現載流子限域的同時保持高遷移率。同時,所獲得的三維鈣鈦礦異質結構被高分辨透射電鏡充分驗證。

通過構建三維CsPbI_3-xBr_x異質結發光層,純紅鈣鈦礦LED器件的空穴泄漏得到有效抑制 。相應器件的峰值外量子效率(EQE)達24.2%,最大亮度為24,600 cd m^-2。同時,器件展現出非常低的效率滾降即亮度為22,670 cd m^-2時,器件依然具有超過10%的EQE,優于以往報道的結果。

上述成果展現出三維鈣鈦礦異質結材料設計在發展高效、明亮且穩定鈣鈦礦LED方面的巨大潛力。

5月7日,相關研究成果以Intragrain 3D perovskite heterostructure for high-performance pure-red perovskite LEDs為題,發表在《自然》(Nature)上。研究工作得到國家自然科學基金委員會和科學技術部等的支持。

論文鏈接

鈣鈦礦三維異質結限抑制LED中空穴泄漏