Нанокристаллы металлогалогенидных перовскитов стали идеальными материалами-кандидатами для дисплейных технологий благодаря своим превосходным оптоэлектронным свойствам. Однако слабая координация и длинноцепочечная структура традиционных лигандов (таких как олеиновая кислота/олеиламин) приводят к серьезным поверхностным дефектам и ограниченному переносу носителей заряда, что ограничивает улучшение характеристик перовскитных светодиодов (PeLED). Для решения этой проблемы группа исследователей под руководством Ронгцзюня Се из Школы материаловедения и инженерии Сямэньского университета опубликовала научную статью под названием «Цитратный лиганд улучшает световую эффективность зеленых перовскитных светодиодов» в журнале «Journal of Luminescence». Исследовательская группа разработала короткоцепочечный, сильно хелатирующий лиганд лимонной кислоты (CA), который образует множественные координационные связи и водородные связи с поверхностью нанокристалла через свою карбоксильную группу (-COOH) и гидроксильную группу (-OH), обеспечивая эффективную пассивацию поверхностных дефектов в нанокристаллах CsPbBr3. Зеленый перовскитный светодиод, созданный на основе этой стратегии, достиг пиковой внешней квантовой эффективности (EQE) 13,58%, предоставляя недорогое и эффективное новое решение для манипулирования поверхностью перовскита.
Механизм взаимодействия лигандов
Исследовательская группа инновационно выбрала лимонную кислоту в качестве лиганда, введя ее в систему нанокристаллов перовскита CsPbBr3 посредством постсинтетического процесса обмена лигандами. Как многодентатный хелатирующий лиганд, карбоксильная и гидроксильная группы лимонной кислоты могут стабильно связываться с поверхностью CsPbBr3 за счет двойного взаимодействия: бидентатной координации и водородных связей. Расчеты методом теории функционала плотности (DFT) показали, что энергия адсорбции лиганда лимонной кислоты достигает -0,39 эВ, что значительно выше, чем -0,26 эВ у лиганда олеиновой кислоты/олеиламина, термодинамически демонстрируя его более сильную способность связываться с поверхностью. Фурье-преобразовательная инфракрасная спектроскопия и рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия дополнительно подтвердили образование координационных и водородных связей, обеспечив эффективную пассивацию поверхностных дефектов в нанокристаллах перовскита.
Рисунок 1: Механизм взаимодействия между нанокристаллами CsPbBr3 и поверхностными лигандами.
Многократная оптимизация оптических свойств нанокристаллов
Модификация с помощью лигандов лимонной кислоты значительно улучшает морфологию и оптические свойства нанокристаллов перовскита CsPbBr3. Морфологически модифицированные нанокристаллы CsPbBr3 сохраняют свою типичную кубическую фазу, имеют более однородный средний размер и значительно улучшенное распределение по размерам, что закладывает структурную основу для повышения оптических характеристик.
С точки зрения оптических характеристик, модифицированные нанокристаллы демонстрируют превосходные свойства. Пик их излучения стабилизируется на 513 нм, а ширина на половине максимума (FWHM) сужается до 19,7 нм; квантовая эффективность фотолюминесценции (PLQY) значительно возрастает с 67,1% до 95,5%, а скорость безызлучательной рекомбинации снижается с 68,5 мкс−1 до 5,4 мкс−1, что свидетельствует о значительной пассивации дефектов. В то же время, лиганд лимонной кислоты также улучшил термическую стабильность материала. Даже при 100℃ нанокристаллы сохраняли высокую начальную интенсивность флуоресценции, а энергия связи экситонов увеличилась до 145,3 мэВ. Этот усиленный эффект связи экситонов обеспечил сохранение в системе экситон-доминирующего пути рекомбинации в условиях высоких температур, что привело к синергетическому улучшению термической стабильности и эффективности люминесценции.
Рисунок 2: Морфология и оптические свойства нанокристаллов CsPbBr3
Эффективность зеленых перовскитных светодиодов значительно улучшена.
На основе модифицированных лимонной кислотой нанокристаллов CsPbBr3 исследовательская группа создала зеленый перовскитный светодиод со структурой ITO/NiOx/Poly−TPD/CsPbBr3/TPBi/LiF/Al, добившись значительного улучшения электролюминесцентных характеристик устройства. Устройство демонстрирует пик электролюминесценции на длине волны 517 нм и координаты цвета CIE (0,099, 0,755), значительно превосходящие стандарт зеленого света Национальной системы телевизионных систем (NTSC), что демонстрирует превосходную чистоту цвета. Пиковая яркость увеличена до 1208 кд/м², а пиковая внешняя квантовая эффективность (EQE) достигает 13,58%, что в 2,9 раза выше, чем у традиционных систем. Пиковая токовая эффективность также улучшена до 42,93 кд/А. Это улучшение характеристик объясняется эффективной пассивацией дефектов посредством модификации поверхностных лигандов, модуляцией путей рекомбинации носителей заряда и оптимизацией баланса их переноса.
