Hybrydowe półprzewodniki perowskitowe organiczno-nieorganiczne cieszą się dużym zainteresowaniem ze względu na swoje doskonałe właściwości optoelektroniczne i są szeroko stosowane w ogniwach słonecznych, ogniwach fotoelektrochemicznych, laserach i diodach elektroluminescencyjnych (LED). Spośród nich diody LED na bazie perowskitu (zwłaszcza te wykorzystujące CH₃NH₃PbBr₃) stały się w ciągu ostatniej dekady niezwykle obiecującym obszarem badań. Jednak stany uwięzione (zwłaszcza te na interfejsach) poważnie ograniczają wydajność i stabilność perowskitowych diod LED. Te zlokalizowane energetycznie stany w pułapce przerwy energetycznej uwalniają nośniki ładunku, zmniejszając w ten sposób ruchliwość nośników, zwiększając rekombinację nieradiacyjną i prowadząc do spadku wydajności urządzenia. Stany uwięzione w perowskitowych diodach LED pochodzą głównie z granic ziaren, defektów wewnętrznych i oddziaływań między interfejsami. Na przykład, specyficzne defekty punktowe, takie jak wakaty halogenowe i wakaty w miejscu A, anty-miejsca ołowiowo-halogenowe i przestrzenie między halogenami, mogą powodować straty nieradiacyjne. Wakaty halogenowe tworzą dodatnio naładowane miejsca, wprowadzając stany defektowe do przerwy energetycznej, co powoduje uwięzienie elektronów i neutralizację dziur. W rezultacie dochodzi do wspomaganej pułapką rekombinacji elektron-dziura, co znacznie obniża wydajność urządzenia.
Wu i in. dostarczyli wcześniej bezpośrednich dowodów na istnienie takich pułapek w cienkich warstwach perowskitu jodku ołowiu metyloamoniowego za pomocą spektroskopii fotoelektronów w ultrafiolecie. Z drugiej strony, nadmiar halogenów w środowisku może prowadzić do tworzenia się warstw powierzchniowych bogatych w halogeny, co skutkuje efektem samopasywacji, sprzyjając generowaniu ekscytonów i zwiększając tempo rekombinacji radiacyjnej. Rekombinacja nieradiacyjna wspomagana pułapkami jest głównym czynnikiem prowadzącym do utraty wydajności świetlnej, szczególnie przy niskiej gęstości nośników. Oprócz promowania rekombinacji, stany uwięzione mogą również stać się kanałami migracji jonów, dodatkowo pogarszając degradację urządzenia. Innym poważnym problemem jest brak równowagi w zakresie wstrzykiwania nośników w perowskitowych diodach elektroluminescencyjnych (LED), co prowadzi do akumulacji nośników na styku, wywołując rekombinację nieradiacyjną i znaczne wygaszanie światła. Aby rozwiązać ten problem, zrównoważenie ruchliwości nośników między warstwą transportującą elektrony a warstwą transportującą dziury okazało się skuteczną strategią zapewniającą zrównoważony wtrysk nośników do perowskitowych diod elektroluminescencyjnych. Co więcej, migracja jonów sterowana polem elektrycznym pogłębia te problemy, prowadząc do anomalii, takich jak histereza fotoprądu, histereza prądowo-napięciowa, możliwość przełączania biegunowości urządzenia oraz nienormalnie wysoka stała dielektryczna. Migracja jonów dodatkowo nasila powstawanie i aktywację stanów uwięzionych, wzmacniając ich szkodliwy wpływ na wydajność urządzenia.
Zespół badawczy wykazał wcześniej, że pasywacja z użyciem chlorowodorków (takich jak chlorek choliny) może skutecznie tłumić migrację jonów i redukować stany uwięzione w perowskitowych diodach LED, poprawiając w ten sposób stabilność widmową i wydajność urządzenia. Najnowsze badania dodatkowo potwierdziły skuteczność strategii pasywacji defektów w poprawie wydajności urządzenia poprzez redukcję stanów uwięzionych i migracji jonów. Na przykład, Xu i in. zademonstrowali realizację ciemnoniebieskich diod LED z perowskitu o stabilnym kolorze, wykorzystując inżynierię chlorowodorków, gdzie kluczem jest redukcja stanów uwięzionych i migracji jonów. Podobnie, Yun i in. zwrócili uwagę na wyzwania związane z migracją jonów i stanami uwięzionymi w niebieskich diodach LED z perowskitu bromku cezu i ołowiu i zaproponowali zastosowanie bromowodorku hydrazyny w inżynierii składu w celu kontrolowania poziomu defektów i redukcji sprzężenia fononów, poprawiając w ten sposób wydajność urządzenia. Jednak badania te koncentrują się głównie na inżynierii materiałowej i nie badają bezpośrednio dynamiki nośników międzyfazowych ani ilościowej analizy rekombinacji wspomaganej pułapką. Co więcej, chociaż wykazano, że strategie pasywacji defektów tłumią migrację jonów, ich wpływ na równowagę wstrzykiwanego ładunku wymaga jeszcze dogłębnych badań.
Naukowcy z Narodowego Uniwersytetu Cheng Kung na Tajwanie, pod kierownictwem Tzung-Fang Guo, wykorzystali spektroskopię admitancyjną do zbadania stanów uwięzionych, dynamiki interfejsów oraz dynamiki nośników perowskitowych diod elektroluminescencyjnych (LED) na bazie CH₃NH₃PbBr₃, badając w jaki sposób pasywacja defektów w chlorku choliny poprawia dynamikę nośników międzyfazowych. Technika ta umożliwia badanie zachowania elektrycznego urządzenia, ujawniając, jak stany uwięzione wpływają na pojemność, wtrysk nośników i procesy rekombinacji – kluczowe dla poprawy wydajności i stabilności urządzenia. Badanie wykazało, że skuteczna pasywacja defektów znacząco tłumi rekombinację niepromienistą, ogranicza migrację jonów i zapewnia bardziej zrównoważony wtrysk i transport ładunku. Aby przeanalizować te efekty, wyprowadzono i oceniono pojemność zależną od napięcia, zależności luminancja-pojemność-napięcie oraz pojemność zależną od częstotliwości. Analizy te pokazują, że pasywowane urządzenia charakteryzują się zmniejszoną gęstością pułapek, stłumioną polaryzacją jonów i zwiększoną rekombinacją radiacyjną, co potwierdza poprawę dynamiki nośników międzyfazowych. W porównaniu z wcześniejszymi badaniami, które koncentrowały się głównie na trendach wydajności urządzeń i dodatkowej charakterystyce elektrycznej, niniejszy artykuł koncentruje się na procesie analizy diagnostycznej opartym na spektroskopii admitancyjnej. Analizę rozszerzono o funkcje odpowiedzi z rozdzielczością częstotliwościową i mapowania obszarów polaryzacji, a odpowiedź pułapki elektronowej została wyraźnie odróżniona od wkładu wolniejszych jonów, co zapewnia bardziej mechanistyczne wyjaśnienie akumulacji ładunku, rekombinacji i stabilności.
