Perowskitowe diody elektroluminescencyjne (PeLED), dzięki swoim istotnym zaletom, takim jak niski koszt materiału, wysoka jasność i możliwość regulacji barwy emisji, stały się wysoce obiecującymi kandydatami do technologii wyświetlania i oświetlenia nowej generacji. Od samego początku rozwoju, PeLED-y osiągnęły znaczący przełom w wydajności. Ten skok wynika nie tylko z innowacji w samym materiale warstwy emisyjnej, ale, co ważniejsze, z synergistycznego efektu ogólnej optymalizacji struktury urządzenia, zwiększonej wydajności wstrzykiwania i rekombinacji nośników oraz postępu w inżynierii interfejsów. Postęp w inżynierii interfejsów skutecznie zmniejszył straty energii i pasywację defektów. W tym kontekście warstwa transportu dziur (HTL), znajdująca się pomiędzy warstwą emisyjną a anodą, odgrywa kluczową rolę. Bezpośrednio determinuje ona wydajność wstrzykiwania dziur, straty z powodu rekombinacji bezpromienistej na interfejsie oraz ogólną stabilność działania urządzenia. Dlatego też dogłębne badania i optymalizacja technologii HTL są niezbędne dla dalszego zwiększania wydajności i żywotności diod PeLED. Jest to kluczowy krok w przyspieszeniu przejścia tej technologii z badań laboratoryjnych do praktycznych zastosowań w wyświetlaczach, oświetleniu i bioobrazowaniu.
W strukturze pinowej niebieskich diod PeLED, poli(3,4-etylenodioksytiofen):polistyrenosulfonian jest szeroko stosowany jako materiał transportujący dziury ze względu na wysoką ruchliwość dziur, dobrą przezroczystość optyczną i możliwość przetwarzania w roztworze. Jednakże PEDOT:PSS wykazuje istotne ograniczenia w niebieskich diodach PeLED: niedopasowanie jego poziomu energetycznego do aktywnej warstwy perowskitu prowadzi do wysokiej bariery wtrysku dziur i silnej rekombinacji nieradiacyjnej; jego naturalna higroskopijność wprowadza wilgoć z otoczenia, przyspieszając degradację i separację fazową materiału perowskitowego; jednocześnie jego przewodność jest wrażliwa na warunki przetwarzania i czynniki środowiskowe, co skutkuje niestabilną pracą urządzenia i znacznymi wahaniami wydajności.
Aby rozwiązać te wąskie gardła, wprowadzenie polimerowej warstwy pośredniej pomiędzy HTL a perowskitem w celu zbudowania funkcjonalnej warstwy mostkowej stało się skutecznym, systemowym rozwiązaniem. Taka struktura międzywarstwowa umożliwia precyzyjną modulację przerwy energetycznej w celu uzyskania wydajnego wstrzykiwania dziur, wykorzystuje pasywację interfejsu na poziomie molekularnym w celu tłumienia rekombinacji bezpromienistej oraz tworzy chemicznie obojętną barierę, która łagodzi reakcje destrukcyjne, synergistycznie zwiększając wydajność konwersji fotoelektrycznej i żywotność urządzenia. Spośród różnych opcji, poli(N-winylokarbazol) (PVK) często przewyższa inne polimerowe materiały transportujące dziury dzięki doskonałej zdolności tworzenia filmu, co zapewnia mu wyższą jakość i stabilność interfejsu. Niemniej jednak, z natury niska ruchliwość nośników PVK pozostaje kluczowym wąskim gardłem. Pomimo prób poprawy możliwości transportu ładunku poprzez domieszkowanie lub inżynierię addytywną, pokonanie ograniczeń narzuconych przez strukturę elektronową szkieletu polimeru pozostaje trudne. Dlatego też, przy zachowaniu istniejących zalet PVK w zakresie modulacji interfejsu, istnieje pilna potrzeba opracowania nowych struktur polimerowych o wysokiej ruchliwości poprzez innowacyjną konstrukcję molekularną.
Wcześniejsze prace dotyczyły niedomieszkowanego polimeru HTM, „polimeru na bazie poliwinylokarbazolu”, zbudowanego poprzez połączenie niesprzężonego szkieletu polietylenowego z łańcuchami bocznymi „typu A” na bazie karbazolu. Zastosowany jako warstwa pomostowa pomiędzy PEDOT:PSS a perowskitem, ten projekt strukturalny skutecznie moduluje poziomy energetyczne, promuje transport dziur i ich wyrównanie z warstwą perowskitu oraz tłumi rekombinację nieradiacyjną. Błękitne diody PeLED (długość fali emisji 488 nm) oparte na tej strukturze charakteryzowały się napięciem roboczym 3 V i maksymalną zewnętrzną wydajnością kwantową 3,26%, co stanowi 1,27-krotną poprawę w porównaniu z urządzeniami bez warstwy pomostowej. Te ulepszenia wydajności zdecydowanie potwierdzają wyższość strategii łączenia niesprzężonego szkieletu z aromatami typu A w postaci nanosiatki. Badania teoretyczne wykazały, że wprowadzenie silnych grup odciągających elektrony (takich jak cyjano, -CN) do szkieletu cząsteczkowego PVK może zoptymalizować wydajność ekstrakcji ładunku międzyfazowego poprzez zwiększenie momentu dipolowego cząsteczki i poprawić stabilność filmu poprzez międzycząsteczkowe oddziaływania dipol-dipol.
Dlatego też, aby dalej badać potencjał strategii "molecular meshing" i poprawić wydajność urządzenia, Xie Linghai i in. z Uniwersytetu Poczty i Telekomunikacji w Nankinie, zachowując tę podstawową strategię, wprowadzili grupy cyjanowe w celu zbudowania struktury donor-akceptor, projektując i syntetyzując cyjanofunkcjonalizowany polimer aromatyczny typu A o strukturze nanosiatki, P-CzCN. Charakterystyka eksperymentalna pokazuje, że P-CzCN charakteryzuje się znacząco poprawioną mobilnością dziur i doskonałą zdolnością do pasywacji defektów. Łącząc obliczenia teoretyczne i wieloskalową charakterystykę, praca ta systematycznie wyjaśnia synergistyczny mechanizm regulacji modyfikacji cyjanowej na zachowanie się stosu molekularnego, ścieżki transportu nośników i wyrównanie poziomów energetycznych międzyfazowych. Niebieskie diody PeLED z warstwami mostkowymi P-CzCN osiągnęły maksymalną luminancję 4040 cd m⁻² i zewnętrzną wydajność kwantową 5,39% przy 488 nm. Przy różnych napięciach widmo elektroluminescencji konsekwentnie koncentruje się przy 488 nm, wykazując doskonałą stabilność widmową. P-CzCN stanowi ważny przykład funkcjonalizacji HTM opartego na siatce i ma ogromne znaczenie dla rozwoju praktycznego zastosowania technologii niebieskiego PeLED.
