【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】金屬鹵化物鈣鈦礦具有優(yōu)異的光電性能和低廉的成本，鈣鈦礦發(fā)光二極管(PeLEDs)已成為新一代顯示技術(shù)的核心候選。在PeLEDs的諸多制備方法中，熱蒸鍍PeLEDs具有環(huán)境敏感度低、與有機發(fā)光二極管(OLED)成熟的工藝路線兼容性強等優(yōu)勢，成為推動PeLEDs產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵技術(shù)路徑。然而，受限于全蒸鍍鈣鈦礦薄膜缺陷密度高、熒光量子產(chǎn)率低的問題，全蒸鍍PeLEDs的器件效率和亮度長期落后于溶液法PeLEDs，成為制約全蒸鍍PeLEDs在顯示領(lǐng)域應(yīng)用的核心瓶頸。
近日，武漢光電國家研究中心王磊教授、郭閏達(dá)副教授團隊聯(lián)合南京工業(yè)大學(xué)王建浦教授團隊，在Nature Photonics發(fā)表了題為“Organic intercalation strategy for efficient all-evaporated perovskite light-emitting diodes”的研究論文。研究團隊提出一種鈣鈦礦前驅(qū)體順序沉積結(jié)合有機功能插層的新策略(SDOI)，通過引入多功能有機分子鹽酸苯乙雙胍(PFCl)添加劑，實現(xiàn)對鈣鈦礦結(jié)晶過程的有效調(diào)控，成功制備出高質(zhì)量的全蒸鍍鈣鈦礦薄膜。基于SDOI策略制備的全蒸鍍天藍(lán)光PeLEDs獲得20.12%的最大外量子效率(EQE)和23704 cdm?²的最大亮度，器件在較大工作電壓范圍內(nèi)表現(xiàn)出良好的光譜穩(wěn)定性，基于該策略構(gòu)筑的全蒸鍍PeLEDs實現(xiàn)了TFT驅(qū)動的有源顯示屏成像(圖1)。
武漢光電國家研究中心為論文第一完成單位。彭陳程博士、何致遠(yuǎn)博士、張飛虎博士研究生、王娜娜教授為論文第一作者，王磊教授、郭閏達(dá)副教授和王建浦教授為共同通訊作者。其他主要合作者包括華中科技大學(xué)陳犇博士研究生、陳敬東博士研究生和何茜平碩士研究生，南京工業(yè)大學(xué)徐雙博士研究生和朱威博士研究生。該研究獲得國家重點研發(fā)計劃、湖北省自然科學(xué)基金創(chuàng)新群體及湖北省科技廳重點項目的資助。
研究團隊利用掃描透射電子顯微鏡(STEM)研究了采用SDOI策略生長的鈣鈦礦發(fā)光薄膜與對照組鈣鈦礦薄膜的結(jié)構(gòu)差異，證實SDOI策略引入的有機插層分子能夠促進(jìn)形成高度有序的低維鈣鈦礦結(jié)構(gòu)。對照組薄膜則呈不規(guī)則形貌，而采用SDOI策略生長的鈣鈦礦薄膜則會形成規(guī)則、均勻的高質(zhì)量晶粒。球差校正STEM(AC-STEM)進(jìn)一步證實SDOI策略能夠形成高度均一化的鈣鈦礦晶粒，對照組薄膜則呈現(xiàn)出無序度較高的結(jié)晶特征。此外，通過電子背散射衍射極圖測試表明采用SDOI策略的鈣鈦礦薄膜沿{100}晶向呈現(xiàn)出高度取向的排布特征。
研究團隊通過綜合多種光譜技術(shù)分析，闡明采用SDOI策略對鈣鈦礦薄膜發(fā)光動力學(xué)調(diào)控機制。穩(wěn)態(tài)吸收光譜顯示，采用SDOI策略的鈣鈦礦薄膜呈現(xiàn)出多個特征吸收峰(n=2、n=3和n≥4的低維鈣鈦礦相)，溫度依賴PL光譜也驗證了低維鈣鈦礦形成(低溫條件下440 nm和462 nm特征發(fā)光峰)。進(jìn)一步采用瞬態(tài)吸收(TA)光譜分析發(fā)現(xiàn)，與對照組薄膜相比，采用SDOI策略的鈣鈦礦薄膜在433 nm、453 nm和485 nm 處出現(xiàn)三處明顯的基態(tài)漂白信號，分別對應(yīng)n=2、n=3和n≥4的鈣鈦礦相。這與溶液法制備的多量子阱鈣鈦礦體系中的情況類似，會發(fā)生低n相向高n相的高效能量轉(zhuǎn)移過程，通過提高輻射復(fù)合速率實現(xiàn)對非輻射復(fù)合能量損耗的抑制。
在全蒸鍍PeLEDs器件制備過程中，有機功能分子PFCl發(fā)揮了多重作用。在鈣鈦礦前驅(qū)體材料順序沉積過程中，PFCl層起到物理阻隔Cs與Pb前驅(qū)體的直接接觸，避免前驅(qū)體材料發(fā)生過快、無序的結(jié)晶反應(yīng)，延緩結(jié)晶生長過程；在退火過程中，PF?作為有機間隔陽離子嵌入晶格，能夠誘導(dǎo)形成具有高度結(jié)晶取向的低維鈣鈦礦結(jié)構(gòu)，并且富電子的C=N基團與缺電子的NH3+基團可分別與鈣鈦礦晶格中未配位Pb、鹵素缺陷結(jié)合，實現(xiàn)高效、多重的缺陷鈍化作用，并顯著提升離子遷移活化能，抑制鹵素離子遷移，提升器件工作穩(wěn)定性。
該研究提出了一種順序沉積鈣鈦礦前驅(qū)體結(jié)合有機多功能插層分子的高質(zhì)量鈣鈦礦薄膜制備策略，通過鈣鈦礦結(jié)構(gòu)表征、光學(xué)特性分析等，驗證了該策略對降低缺陷態(tài)密度、調(diào)控鈣鈦礦結(jié)晶動力學(xué)過程及載流子復(fù)合路徑的有效性，最終實現(xiàn)了高效率、高亮度的天藍(lán)光電致發(fā)光器件，同時檢驗了該策略在綠光器件上的普適性。此外，該研究成功地將全蒸鍍PeLEDs集成到TFT驅(qū)動的有源顯示面板，實現(xiàn)了清晰的圖像顯示和流暢的視頻播放，充分展示出該策略在新型顯示技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用潛力，為熱蒸鍍技術(shù)制備高性能鈣鈦礦光電器件提供了重要參考。未來，將該策略與大面積蒸鍍制備鈣鈦礦發(fā)光器件和三基色全彩有源驅(qū)動技術(shù)結(jié)合，有望加速推動熱蒸鍍PeLEDs技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用落地。
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