Οι νανοκρύσταλλοι περοβσκίτη μεταλλαλογονιδίων έχουν γίνει ιδανικά υποψήφια υλικά για τεχνολογία οθονών λόγω των εξαιρετικών οπτοηλεκτρονικών ιδιοτήτων τους. Ωστόσο, ο ασθενής συντονισμός και η δομή μακράς αλυσίδας των παραδοσιακών υποκαταστατών (όπως το ελαϊκό οξύ/ολεϋλαμίνη) οδηγούν σε σοβαρά επιφανειακά ελαττώματα και περιορισμένη μεταφορά φορέων, περιορίζοντας τη βελτίωση της απόδοσης της διόδου εκπομπής φωτός περοβσκίτη (PeLED). Για να αντιμετωπίσει αυτό το ζήτημα, η ομάδα με επικεφαλής τον Rongjun Xie από τη Σχολή Επιστήμης και Μηχανικής Υλικών στο Πανεπιστήμιο Xiamen δημοσίευσε μια ερευνητική εργασία με τίτλο "h Ο κιτρικός υποκαταστάτης βελτιώνει τη φωτεινή απόδοση των πράσινων διόδων εκπομπής φωτός περοβσκίτη "h στο *Journal of Luminescence*. Η ερευνητική ομάδα ανέπτυξε έναν βραχείας αλυσίδας, ισχυρά χηλικό υποκαταστάτη κιτρικού οξέος (CA) που σχηματίζει πολλαπλούς δεσμούς συντονισμού και δεσμούς υδρογόνου με την επιφάνεια του νανοκρυστάλλου μέσω της καρβοξυλικής ομάδας οξέος (-COOH) και της υδροξυλομάδας (-OH), επιτυγχάνοντας αποτελεσματική παθητικοποίηση των επιφανειακών ελαττωμάτων στους νανοκρυστάλλους CsPbBr3. Η πράσινη δίοδος εκπομπής φωτός από περοβσκίτη που κατασκευάστηκε με βάση αυτή τη στρατηγική πέτυχε μέγιστη εξωτερική κβαντική απόδοση (EQE) 13,58%, παρέχοντας μια οικονομική και αποτελεσματική νέα λύση για τον χειρισμό επιφανειών περοβσκίτη.
Μηχανισμός αλληλεπίδρασης υποκαταστατών
Η ερευνητική ομάδα επέλεξε καινοτόμα το κιτρικό οξύ ως υποκαταστάτη, εισάγοντάς το στο νανοκρυσταλλικό σύστημα περοβσκίτη CsPbBr3 μέσω μιας διαδικασίας μετα-συνθετικής ανταλλαγής υποκαταστατών. Ως πολυοδοντωτός υποκαταστάτης χηλίωσης, το καρβοξυλικό οξύ και οι υδροξυλομάδες του κιτρικού οξέος μπορούν να συνδεθούν σταθερά στην επιφάνεια CsPbBr3 μέσω μιας διπλής αλληλεπίδρασης διοδοντικού συντονισμού και δεσμού υδρογόνου. Οι υπολογισμοί της θεωρίας συναρτησιακής πυκνότητας (DFT) έδειξαν ότι η ενέργεια προσρόφησης του υποκαταστάτη κιτρικού οξέος έφτασε τα -0,39 eV, σημαντικά υψηλότερη από τα -0,26 eV του υποκαταστάτη ελαϊκού οξέος/ολεϋλαμίνης, αποδεικνύοντας θερμοδυναμικά την ισχυρότερη ικανότητα επιφανειακής σύνδεσης του. Η φασματοσκοπία υπέρυθρης ακτινοβολίας μετασχηματισμού Fourier και η φασματοσκοπία φωτοηλεκτρονίων ακτίνων Χ επιβεβαίωσαν περαιτέρω τον σχηματισμό δεσμών συντονισμού και δεσμών υδρογόνου, επιτυγχάνοντας αποτελεσματική παθητικοποίηση των επιφανειακών ελαττωμάτων στους νανοκρυστάλλους περοβσκίτη.
Σχήμα 1: Μηχανισμός αλληλεπίδρασης μεταξύ νανοκρυστάλλων CsPbBr3 και επιφανειακών υποκαταστατών
Πολλαπλές βελτιστοποιήσεις των οπτικών ιδιοτήτων των νανοκρυστάλλων
Η τροποποίηση με υποκαταστάτες κιτρικού οξέος βελτιώνει συνολικά τη μορφολογία και τις οπτικές ιδιότητες των νανοκρυστάλλων περοβσκίτη CsPbBr3. Μορφολογικά, οι τροποποιημένοι νανοκρύσταλλοι CsPbBr3 διατηρούν την τυπική κυβική τους φάση, με πιο ομοιόμορφο μέσο μέγεθος και σημαντικά βελτιωμένη συγκέντρωση κατανομής μεγέθους, θέτοντας μια δομική βάση για βελτιωμένη οπτική απόδοση.
Όσον αφορά την οπτική απόδοση, οι τροποποιημένοι νανοκρύσταλλοι παρουσιάζουν εξαιρετικά χαρακτηριστικά. Η κορυφή εκπομπής τους σταθεροποιείται στα 513 nm, με το πλήρες πλάτος στο μισό μέγιστο (FWHM) να μειώνεται στα 19,7 nm. Η κβαντική απόδοση φωτοφωταύγειας (PLQY) αυξάνεται σημαντικά από 67,1% σε 95,5% και ο ρυθμός μη ακτινοβολικού ανασυνδυασμού μειώνεται από 68,5 μs−1 σε 5,4 μs−1, καταδεικνύοντας σημαντική παθητικοποίηση ελαττωμάτων. Εν τω μεταξύ, ο υποκαταστάτης κιτρικού οξέος βελτίωσε επίσης τη θερμική σταθερότητα του υλικού. Ακόμα και στους 100℃, οι νανοκρύσταλλοι διατήρησαν υψηλή αρχική ένταση φθορισμού και η ενέργεια σύνδεσης εξιτονίου αυξήθηκε στα 145,3 meV. Αυτό το ενισχυμένο φαινόμενο σύνδεσης εξιτονίου διασφάλισε ότι το σύστημα διατήρησε την οδό ανασυνδυασμού που κυριαρχείται από εξιτόνιο υπό συνθήκες υψηλής θερμοκρασίας, επιτυγχάνοντας έτσι μια συνεργιστική βελτίωση στη θερμική σταθερότητα και την απόδοση φωταύγειας.
Σχήμα 2: Μορφολογία και οπτικές ιδιότητες νανοκρυστάλλων CsPbBr3
Η απόδοση της διόδου εκπομπής φωτός πράσινου περοβσκίτη βελτιώθηκε σημαντικά
Βασισμένη σε νανοκρυστάλλους CsPbBr3 τροποποιημένους με κιτρικό οξύ, η ερευνητική ομάδα κατασκεύασε μια πράσινη δίοδο εκπομπής φωτός περοβσκίτη με δομή ITO/NiOx/Poly−TPD/CsPbBr3/TPBi/LiF/Al, επιτυγχάνοντας σημαντική βελτίωση στην απόδοση ηλεκτροφωταύγειας της συσκευής. Η συσκευή παρουσιάζει κορυφή ηλεκτροφωταύγειας στα 517 nm και συντεταγμένες χρώματος CIE (0,099, 0,755), υπερβαίνοντας κατά πολύ το πρότυπο πράσινου φωτός της χρωματικής γκάμας της Εθνικής Επιτροπής Τηλεοπτικών Συστημάτων (NTSC), επιδεικνύοντας εξαιρετική καθαρότητα χρώματος. Η μέγιστη φωτεινότητα αυξάνεται στα 1208 cd/m² και η μέγιστη εξωτερική κβαντική απόδοση (EQE) φτάνει το 13,58%, 2,9 φορές μεγαλύτερη από αυτή των συμβατικών συστημάτων. Η μέγιστη απόδοση ρεύματος βελτιώνεται επίσης στα 42,93 cd/A. Αυτή η βελτίωση απόδοσης αποδίδεται στην αποτελεσματική παθητικοποίηση των ελαττωμάτων μέσω της μηχανικής επιφανειακών υποκαταστατών, στη διαμόρφωση των οδών ανασυνδυασμού φορέων και στη βελτιστοποίηση της ισορροπίας μεταφοράς τους.
