Nanokryształy perowskitu metalohalogenkowego stały się idealnymi materiałami do technologii wyświetlaczy ze względu na swoje doskonałe właściwości optoelektroniczne. Jednak słaba koordynacja i długołańcuchowa struktura tradycyjnych ligandów (takich jak kwas oleinowy/oleiloamina) prowadzą do poważnych defektów powierzchni i ograniczonego transportu nośników, co ogranicza poprawę wydajności perowskitowych diod elektroluminescencyjnych (PeLED). Aby rozwiązać ten problem, zespół kierowany przez Rongjuna Xie z Wydziału Nauki o Materiałach i Inżynierii Materiałowej Uniwersytetu Xiamen opublikował artykuł badawczy zatytułowany „"Citrate Ligand Improves Luminous Efficiency of Green Perovskite Light-Emitting Diodes"” w czasopiśmie „Journal of Luminescence”. Zespół badawczy opracował krótkołańcuchowy, silnie chelatujący ligand kwasu cytrynowego (CA), który tworzy liczne wiązania koordynacyjne i wiązania wodorowe z powierzchnią nanokryształu poprzez swoją grupę kwasu karboksylowego (-COOH) i grupę hydroksylową (-OH), umożliwiając skuteczną pasywację defektów powierzchniowych w nanokryształach CsPbBr3. Zielona perowskitowa dioda elektroluminescencyjna skonstruowana w oparciu o tę strategię osiągnęła szczytową zewnętrzną wydajność kwantową (EQE) na poziomie 13,58%, zapewniając tanie i wydajne nowe rozwiązanie do manipulacji powierzchnią perowskitu.
Mechanizm interakcji ligandów
Zespół badawczy innowacyjnie wybrał kwas cytrynowy jako ligand, wprowadzając go do systemu nanokryształów perowskitu CsPbBr3 poprzez proces wymiany ligandów po syntezie. Jako wielozębowy ligand chelatujący, kwas cytrynowy, jako wielozębny ligand chelatujący, może stabilnie wiązać się z powierzchnią CsPbBr3 poprzez podwójną interakcję – koordynację dwuzębową i wiązanie wodorowe. Obliczenia metodą teorii funkcjonału gęstości (DFT) wykazały, że energia adsorpcji ligandu kwasu cytrynowego osiągnęła -0,39 eV, znacznie wyższą niż -0,26 eV ligandu kwasu oleinowego/oleiloaminy, co termodynamicznie dowodzi jego silniejszej zdolności wiązania powierzchni. Spektroskopia w podczerwieni z transformacją Fouriera oraz rentgenowska spektroskopia fotoelektronów dodatkowo potwierdziły powstawanie wiązań koordynacyjnych i wodorowych, zapewniając skuteczną pasywację defektów powierzchniowych w nanokryształach perowskitu.
Rysunek 1: Mechanizm interakcji między nanokryształami CsPbBr3 a ligandami powierzchniowymi
Wielokrotna optymalizacja właściwości optycznych nanokryształów
Modyfikacja ligandami kwasu cytrynowego kompleksowo poprawia morfologię i właściwości optyczne nanokryształów perowskitu CsPbBr3. Morfologicznie zmodyfikowane nanokryształy CsPbBr3 zachowują swoją typową fazę sześcienną, charakteryzując się bardziej równomiernym średnim rozmiarem i znacząco poprawionym rozkładem stężenia wielkości, co stanowi strukturalny fundament dla poprawy parametrów optycznych.
Pod względem parametrów optycznych, zmodyfikowane nanokryształy wykazują doskonałe właściwości. Ich pik emisyjny stabilizuje się przy 513 nm, a szerokość w połowie maksimum (FWHM) zwęża się do 19,7 nm; wydajność kwantowa fotoluminescencji (PLQY) znacząco wzrasta z 67,1% do 95,5%, a szybkość rekombinacji nieradiacyjnej spada z 68,5 μs−1 do 5,4 μs−1, co wskazuje na znaczną pasywację defektów. Jednocześnie ligand kwasu cytrynowego poprawił również stabilność termiczną materiału. Nawet w temperaturze 100°C nanokryształy utrzymywały wysoką początkową intensywność fluorescencji, a energia wiązania ekscytonu wzrosła do 145,3 meV. Ten wzmocniony efekt wiązania ekscytonu zapewnił, że system utrzymał zdominowaną przez ekscytony ścieżkę rekombinacji w warunkach wysokich temperatur, osiągając tym samym synergistyczną poprawę stabilności termicznej i wydajności luminescencji.
Rysunek 2: Morfologia i właściwości optyczne nanokryształów CsPbBr3
Znacznie wzrosła wydajność zielonej diody perowskitowej emitującej światło
W oparciu o nanokryształy CsPbBr3 modyfikowane kwasem cytrynowym, zespół badawczy skonstruował zieloną perowskitową diodę elektroluminescencyjną o strukturze ITO/NiOx/Poly−TPD/CsPbBr3/TPBi/LiF/Al, co pozwoliło na znaczną poprawę parametrów elektroluminescencyjnych urządzenia. Urządzenie charakteryzuje się pikiem elektroluminescencyjnym przy długości fali 517 nm i współrzędnymi barw CIE (0,099, 0,755), znacznie przekraczając standard zielonego światła gamy barw National Television Systems Committee (NTSC), co świadczy o doskonałej czystości kolorów. Jasność szczytowa wzrosła do 1208 cd/m², a szczytowa zewnętrzna wydajność kwantowa (EQE) osiągnęła 13,58%, 2,9 razy więcej niż w systemach konwencjonalnych. Szczytowa wydajność prądowa również została zwiększona do 42,93 cd/A. Poprawę wydajności przypisuje się skutecznej pasywacji defektów poprzez inżynierię ligandów powierzchniowych, modulację ścieżek rekombinacji nośników i optymalizację równowagi ich transportu.
