准二维钙钛矿发光二极管的载流子注入与复合研究

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准二维金属卤化物钙钛矿作为一种可溶液加工的半导体材料,具有高载流子迁移率、高发光效率、窄发光光谱、光谱可调等优异的光电特性,被认为在二极管领域有巨大的应用潜力。准二维钙钛矿发光二极管中的性能很大程度上取决于器件载流子的注入和复合过程,高效的载流子注入和提高辐射复合的比例是实现高性能准二维钙钛矿发光二极管(Pe LED)的关键。钙钛矿发光二极管的器件结构通常沿用溶液加工的聚合物发光二极管器件(PLED)结构,在同样的器件结构下,Pe LED表现出不一样的载流子注入特性。在Pe LED中,即使能级结构上有较大的空穴注入势垒存在,也常被发现能够在低电压下工作,但目前Pe LED的载流子注入机制并未被理解透彻。深入理解Pe LED的载流子注入的机理对Pe LED器件的设计有重大的指导意义,能帮助人们找到更合适的器件结构。本论文的第一部分工作研究了“ITO/PVK/钙钛矿”结构的空穴注入特性,提出了采用MIS(金属-绝缘体-半导体)接触模型解释其中的空穴注入机制:钙钛矿层中的电场被屏蔽,器件内的电场集中在PVK层中,促进了空穴的注入。通过器件的瞬态电学特性观测到了器件内部离子迁移和电荷的堆积现象,并分析了器件的电场分布,证实了电场的屏蔽现象。MIS接触模型的空穴注入机制可推广应用到其它的“ITO/绝缘层/钙钛矿”结构的空穴注入,预测PVK可被其它类型的绝缘体材料替代。本研究采用常见的绝缘体材料PS或PMMA替代PVK作为器件的空穴注入层,发现制备的器件均能在较低电压下工作,通过调控绝缘层厚度优化器件的性能,其中以PMMA层为空穴注入层的Pe LED器件的最大电流效率为28.4 cd/A,启亮电压为3 V,与PVK器件相当;而以PS层作为空穴注入层的Pe LED器件的最大电流效率能达到44.7 cd/A,EQE为10.6%,效率高于传统的PVK空穴传输层器件。本论文第二部分研究了“PEDOT:PSS/钙钛矿”界面处的空穴注入,发现在外加电场作用下阴离子在“PEDOT:PSS/钙钛矿”界面处堆积,使能带弯曲,促进了空穴注入。在实验中观测到Pe LED器件存在秒级时间尺度的弛豫电流现象,并且发现该瞬态过程可分解为三个时间常数不同的衰减过程,两个较快的衰减过程为阳离子和阴离子外电场移除后的分布重排过程,衰减时间最长的过程归因于Br-与PEDOT+存在较强的相互作用,使Br-吸附在界面上,衰减的过程对应于界面处阴离子Br-的解吸附过程。通过对弛豫电流密度积分得到器件中发生移动的总离子电荷量,发现Pe LED器件中移动的总离子电荷量在4 V以上外加电压条件下存在饱和的现象,并使用器件弛豫离子电荷量饱和值估测了钙钛矿层中的离子型缺陷密度,得到Pe LED器件中的准二维钙钛矿层PEA2(FAPb Br3)n-1Pb Br4中的离子型缺陷密度大约为3.0×1018 cm-3。准二维PeLED器件的性能与准二维钙钛矿薄膜内的组分n值分布密切相关,本论文第三部分基于能量转移和载流子复合建立了准二维钙钛矿薄膜n值分布与发光效率之间关系的理论框架。考虑到辐射复合大部分发生在较大n值的组分,而非辐射复合可能发生在所有组分中,本研究通过实验拟合研究了大n值的组分中的载流子复合,并在载流子动力学计算中引入了描述n≥5组分复合的载流子比例参数j来衡量快速能量转移过程中的损耗。本研究通过理论计算揭示了能量转移、俄歇复合以及辐射复合的共同作用如何影响n值分布不同的钙钛矿发光效率:在n=2组分与n≥5组分的比例比值较大情况下,俄歇复合速率较大,能量转移过程的能量损失较严重,使得发光效率显著减小;而随着n≥5组分的比例增加,由于n≥5组分的载流子浓度降低,辐射复合速率减小,同时俄歇复合速率也减小,效率滚降减缓。该理论框架能够成功预测和解释Pe LED器件的效率峰值和效率滚降随n值分布的变化趋势,为Pe LED器件的制备提供了一种理论的指导。
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