Перовскитните нанокристали на базата на метал-халогенни перовскити са се превърнали в идеални материали-кандидати за дисплейни технологии поради отличните си оптоелектронни свойства. Слабата координация и дълговерижната структура на традиционните лиганди (като олеинова киселина/олеиламин) обаче водят до сериозни повърхностни дефекти и ограничен транспорт на носители, което ограничава подобряването на производителността на перовскитните светодиоди (PeLED). За да се справи с този проблем, екипът, ръководен от Ронгджун Сие от Училището по материалознание и инженерство към университета Ксиамен, публикува изследователска статия, озаглавена „Цитратен лиганд подобрява светлинната ефективност на зелени перовскитни светодиоди“ в *Journal of Luminescence*. Изследователският екип разработи късоверижен, силно хелатиращ лиганд на базата на лимонена киселина (CA), който образува множество координационни връзки и водородни връзки с повърхността на нанокристала чрез своята карбоксилна киселинна група (-COOH) и хидроксилна група (-OH), постигайки ефективно пасивиране на повърхностни дефекти в CsPbBr3 нанокристали. Зеленият перовскитен светодиод, конструиран въз основа на тази стратегия, постигна пикова външна квантова ефективност (EQE) от 13,58%, осигурявайки нискобюджетно и ефикасно ново решение за манипулиране на перовскитна повърхност.
Механизъм на взаимодействие на лиганди
Изследователският екип иновативно избра лимонена киселина като лиганд, въвеждайки я в перовскитната нанокристална система CsPbBr3 чрез процес на пост-синтетичен лиганден обмен. Като мултидентатен хелатиращ лиганд, карбоксилната киселина и хидроксилните групи на лимонената киселина могат стабилно да се свържат с повърхността на CsPbBr3 чрез двойно взаимодействие на бидентатна координация и водородни връзки. Изчисленията на теорията на функционалната плътност (DFT) показаха, че адсорбционната енергия на лиганда на лимонената киселина достига -0,39 eV, значително по-висока от -0,26 eV на лиганда олеинова киселина/олеиламин, което термодинамично демонстрира по-силната му способност за свързване с повърхността. Инфрачервената спектроскопия с Фурие трансформация и рентгеновата фотоелектронна спектроскопия допълнително потвърдиха образуването на координационни връзки и водородни връзки, постигайки ефективна пасивация на повърхностните дефекти в перовскитните нанокристали.
Фигура 1: Механизъм на взаимодействие между нанокристали CsPbBr3 и повърхностни лиганди
Многобройни оптимизации на оптичните свойства на нанокристалите
Модификацията с лиганди на лимонена киселина подобрява цялостно морфологията и оптичните свойства на перовскитните нанокристали CsPbBr3. Морфологично, модифицираните нанокристали CsPbBr3 запазват типичната си кубична фаза, с по-равномерен среден размер и значително подобрено разпределение на размера на частиците, полагайки структурна основа за подобрени оптични характеристики.
По отношение на оптичните характеристики, модифицираните нанокристали показват отлични характеристики. Техният емисионен пик се стабилизира при 513 nm, като пълната ширина на половината от максимума (FWHM) се стеснява до 19,7 nm; квантовата ефективност на фотолуминесценцията (PLQY) се увеличава значително от 67,1% до 95,5%, а скоростта на нерадиационна рекомбинация намалява от 68,5 μs−1 до 5,4 μs−1, което демонстрира значителна пасивация на дефектите. В същото време, лигандът на лимонената киселина също подобрява термичната стабилност на материала. Дори при 100℃, нанокристалите поддържат висок начален интензитет на флуоресценция, а енергията на свързване на екситоните се увеличава до 145,3 meV. Този подобрен ефект на свързване на екситоните гарантира, че системата поддържа доминирания от екситоните път на рекомбинация при условия на висока температура, като по този начин се постига синергично подобрение в термичната стабилност и ефективността на луминесценцията.
Фигура 2: Морфология и оптични свойства на нанокристали CsPbBr3
Ефективността на зеления перовскитен светодиод е значително подобрена
Въз основа на модифицирани с лимонена киселина нанокристали CsPbBr3, изследователският екип конструира зелен перовскитен светодиод със структура ITO/NiOx/Poly−TPD/CsPbBr3/TPBi/LiF/Al, постигайки значително подобрение в електролуминесцентните характеристики на устройството. Устройството показва електролуминесцентен пик при 517 nm и цветови координати CIE от (0.099, 0.755), значително надвишаващи стандарта за зелена светлина на цветовата гама на Националния комитет по телевизионни системи (NTSC), демонстрирайки отлична чистота на цветовете. Пиковата яркост е увеличена до 1208 cd/m², а пиковата външна квантова ефективност (EQE) достига 13.58%, 2.9 пъти повече от конвенционалните системи. Пиковата токова ефективност също е подобрена до 42.93 cd/A. Това подобрение в производителността се дължи на ефективното пасивиране на дефектите чрез инженерство на повърхностни лиганди, модулацията на пътищата на рекомбинация на носителите и оптимизирането на техния транспортен баланс.
