铯铅溴纳米晶的配体调控及其发光二极管器件性能研究

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近年来,铅卤钙钛矿材料凭借可溶液加工、高色纯度、较高的缺陷容忍度和易调的发光光色等优异的性能,被认为是理想的发光材料。特别地,当钙钛矿材料的维度降低到纳米级别时,其具有比体材料更高的荧光量子产率(PLQY),更有利于高效发光二极管(light emitting diode, LED)的制备。由于钙钛矿纳米晶特殊的结构,其需要大量的表面配体来维持其分散性和稳定性。然而,目前常用的钙钛矿表面配体一般都是不导电的长链有机物,导致钙钛矿薄膜的电学性能比较差,会明显增加电子和空穴在钙钛矿发光二极管(Perovskite light emitting diode, PeLED)内的注入难度,限制了基于钙钛矿纳米晶制备的PeLED性能的进一步提升。因此,通过优化表面配体来提高钙钛矿纳米晶薄膜的光学、电学性能对改善PeLED器件的性能有着重要意义。本文以全无机铯铅溴钙钛矿纳米晶(CsPbBr3 nanocrystals, CsPbBr3 NCs)为研究对象,通过表面修饰和配体调控的方法,着力于提升基于CsPbBr3NCs的PeLED器件的发光效率,具体内容概括如下:
  (1)通过室温配体辅助法合成以双十二烷基二甲基溴化铵(DDAB)和辛酸(OTAc)作为配体的CsPbBr3NCs。引入Na+对其表面进行改性,探究Na+的作用机制和其对CsPbBr3NCs性质的影响。测试结果表明,Na+吸附于纳米晶表面而未进入钙钛矿晶格,促使纳米晶表面缺陷被更好地钝化且表面长链配体减少。当Na+添加量为8%时,CsPbBr3NCs的PLQY由46.9%提升至84.6%,薄膜的表面形貌得到改善并且电荷传输性能提升。基于8%Na+修饰的CsPbBr3NCs作为发光层的PeLED的最大外量子效率(External quantum efficiency, EQE)从5.59%提升到7.33%。
  (2)引入短链有机物FA+对CsPbBr3NCs进行改性。探究FA+对CsPbBr3NCs形貌、晶格及光电性能的影响,测试表征表明,FA+可以部分代替长链配体DDAB并且吸附于CsPbBr3NCs表面,达到由短链代替长链的效果,从而提升CsPbBr3NCs的电荷传输能力。调整合适的器件结构并调节FA+加入量,在FA+的作用下,PeLED性能有明显提升,器件的最大EQE、电流效率(Current efficiency, CE)和亮度分别从5.59%、18.36cd/A和2509cd/m2提升到11.19%、37.93cd/A及7611cd/m2。
  (3)同时引入FA+和Na+改善CsPbBr3NCs的性能。我们通过监测CsPbBr3NCs制备过程中配体的动态变化过程发现,Na+在CsPbBr3NCs合成时作为金属配体吸附于表面,而在纯化过程中发生了部分脱附。FA+和Na+同时被引入时,合成过程中长链配体的占位有效减少,纯化过程中FA+通过占据Na+脱附的位点而促使短链配体有效增多,使得FA+和Na+协同调控的CsPbBr3NCs的表面呈现更优的配体分布,光学、电学性能也得到了改善。基于FA+和Na+协同调控后的CsPbBr3NCsPeLED器件性能得到了很大程度的提升,器件的最大EQE、CE和亮度分别由5.59%、18.36cd/A和2509cd/m2提升至22.5%、79.68cd/A和13290cd/m2。
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