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金屬鹵化物鈣鈦礦具有非常窄的發射光譜,出色的色純度,較低的材料成本以及很寬的顏色調整範圍。基於這些優點,鈣鈦礦一直被認為是一種非常有潛力的高色純度發光材料,可以替代顯示器和固態照明技術中常用的有機和無機量子點(QD)材料。特別要提到的是,鈣鈦礦材料目前是唯一可以滿足REC.2020標準的發光材料。

現在,Tae-Woo Lee團隊已經讓PeLED的EQE達到23.4%,這是迄今為止PeLED的最高效率,它甚至遠超過了InP基綠色QD-LED的最高EQE(13.6%)。可以看出,PeLED EQE的這一提升比普通QD-LED快了很多,QD-LED自首次報道到目前20% EQE的實現花費了20年的時間。這一點凸顯了鈣鈦礦發光材料在工業顯示器和固態照明技術中商業化的可能性。

一般來說,鈣鈦礦材料在室溫下發光時存在嚴重問題。小的激子結合能會引起電荷載流子的直接離解,這會降低發光效率。為了克服這個固有的問題,研究人員一直都在致力於合成具有幾奈米大小的膠體鈣鈦礦奈米晶體。在這樣小的尺寸下,電荷載流子可以在空間上受到限制,另外還會具有很高的結合能。不過,由於鈣鈦礦奈米晶體的尺寸小且伴隨著非常高的表面積-體積比,其表面缺陷較大。此外,由於自來存在的動態結合(Dynamic binding)性質,其表面有機配體也很容易從奈米晶體表面脫離,這也會在奈米晶體表面引起許多缺陷。因此,鈣鈦礦材料的研發一直需要一種有效的缺陷鈍化策略。

為了解決這些問題,由Tae-Woo Lee領導的首爾國立大學研究小組提出了一項綜合策略。他們在傳統的甲醯胺基鈣鈦礦奈米晶體中引入了胍基有機陽離子。該陽離子可以在控制上述鈣鈦礦奈米晶體內部和表面缺陷的同時,更有效地將電荷載流子限制在奈米晶體內部。

結果,該鈣鈦礦奈米晶體在薄膜和溶液中均實現了很高的光致發光量子效率(PLQE> 90%)。此外,研究團隊還進一步使用了鹵化物基缺陷鈍化劑——1,3,5-三(溴甲基)-2,4,6-三乙苯(TBTB)去除奈米晶體表面的殘留缺陷。透過所有這些鈍化策略,研究團隊最終向人們呈現了一種EQE達23.4%,電流效率達108cd/A 的PeLED。

安德魯·拉珀(Andrew M Rappe)領導的賓夕法尼亞大學合作研究小組透過密度泛函理論(DFT)計算研究了上述策略詳細的缺陷抑制機制。該合作研究小組研究了胍鹽以很低濃度(〜10%)摻入奈米晶體的機理。此外,他們還研究了這種型別胍摻雜鈍化奈米晶體內部和表面缺陷的機制,以及鹵化物基TBTB材料鈍化表面殘留缺陷的原理。

Lee Tae-Woo Lee表示:“我們已經提出了一種鈍化鈣鈦礦奈米晶體缺陷的綜合策略,它可以增加輻射發光機率,實現高效的PeLED。我們希望這些提高PeLED發光效率的工作有助於推動PeLED的商業化。”

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