南京邮电大学研究生(南京邮电大学研究生院)



南京邮电大学研究生,南京邮电大学研究生院

近期,西北工业大学黄维院士和南京邮电大学陈淑芬教授团队在Research上发表了题为“Stable and Efficient Red Perovskite Light-Emitting Diodes Based on Ca2+-Doped CsPbI3 Nanocrystals”的文章,使用Ca2+作为CsPbI3纳米晶(NCs)的B位掺杂离子来提升CsPbI3 NCs的晶相稳定性和发光二极管(LED)性能。

Citations:Wei Shen, Jianbin Zhang, Ruimin Dong, Yanfeng Chen, Liu Yang, Shuo Chen, Zhan Su, Yujun Dai, Kun Cao, Lihui Liu, Shufen Chen, Wei Huang, “Stable and Efficient Red Perovskite Light-Emitting Diodes Based on Ca2+-Doped CsPbI3 Nanocrystals”, Research, vol. 2021, Article ID 9829374, 11 pages, 2021.

https://doi.org/10.34133/2021/9829374

01

研究背景

全无机钙钛矿ABX3(A = Cs+,B = Pb2+,X = Cl-、Br-、I-)纳米晶体(NCs)具有荧光量子产率高、色纯度好和易于加工等特性,在照明、显示、探测等领域具有广泛的应用前景。但是制约其“大展宏图”的潜在问题之一就是某些全无机钙钛矿材料在常温下会“骨架变形”(晶相转变),而光电性能也随之变差。例如:光电性能好的立方相(α-CsPbI3)在常温下极易转变为光电性能差的正交相(δ-CsPbI3)。因此,只有稳定α-CsPbI3 NCs的晶相,才能获得稳定、高性能CsPbI3 NCs LED。

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研究进展

如何让钙钛矿稳定地保持立方相而“骨架不变形”呢?通常B位掺杂碱土金属(IIA族)离子是提升α-CsPbI3晶相稳定性和光学性能的有效途径。根据同主族元素的性质变化规律,尺寸相对较小、不易水解的Ca2+是该族元素中最佳的选择。

西北工业大学黄维院士和南京邮电大学陈淑芬教授团队提出“补钙”策略来抑制CsPbI3NCs的相变,提高其“骨架”稳定性。他们通过使用成本低廉的醋酸钙来合成Ca2+掺杂的CsPbI3NCs,利用Ca2+较小的离子半径来提高CsPbI3的容忍因子从而提升其晶相稳定性。实验结果表明,Ca2+掺杂的CsPbI3NCs溶液在空气中存储147天后,仍然能维持初始荧光强度的80%左右,且NCs形貌和尺寸仍较为规整,没有发生团聚;对比实验结果发现,未掺杂的CsPbI3NCs在存储147天后仅能维持初始荧光强度的36%左右,且NCs发生了明显的尺寸和形貌的变化。同时,制备的CsPbI3NCs薄膜稳定性良好,在空气中保存58天后仍为立方相,在紫外灯下依然发射明显的红色荧光;而未掺杂的CsPbI3薄膜28天后发生了相变,表现出了明显的荧光衰退(图1)。

图1 (a-d)不同Ca2+掺杂量的CsPbI3NCs薄膜在空气中(40%~50% RH, 20 ± 5 ℃)保存不同时间后的XRD谱图,(e)自然光下和(f)紫外光下的薄膜照片

Ca2+掺杂不仅提高了CsPbI3NCs的稳定性,还显著降低了薄膜的缺陷密度,并调控了其费米能级,使CsPbI3NCs薄膜从n型半导体转变为双极型半导体从而提升空穴注入效率,最终构筑的LED实现了790 cd/m2的最大亮度和7.8%的最大外量子效率(EQE),该器件在5 mA/cm2的条件下工作寿命为85 min。与未掺杂的CsPbI3LED相比,EQE提升了约3倍,器件寿命提高了约2.2倍(图2)。

图2 (a)器件能级示意图,(b)J-V曲线,(c)L-V曲线,(d)EQE曲线,(e)EL光谱,(f)LED器件稳定性曲线

03

未来展望

B位掺杂Ca2+策略能显著改善CsPbI3NCs的晶相稳定性和LED性能,该策略与CsPbI3NCs的配体钝化策略协同,可同时改善晶体内部的晶相稳定性和晶体表面的配体稳定性,最终有望实现稳定、高性能的CsPbI3NCs LED,推动钙钛矿材料在照明、显示行业中的应用。

04

作者简介

黄维,中国科学院院士,俄罗斯科学院外籍院士,中国有机电子学与柔性电子学的主要奠基者,西北工业大学教授、博士生导师,国家杰出青年科学基金获得者,国家“973计划”项目首席科学家。主要研究领域为纳米材料与技术和有机电子与器件等。在有机光电子学、柔性电子学等领域取得了大量系统性、创新性的研究成果。

陈淑芬教授现任南京邮电大学材料科学与工程学院副院长,江苏省信息显示与白光照明工程中心副主任,塑料电子研究所所长。陈淑芬教授一直围绕有机发光器件、有机太阳电池、钙钛矿发光器件、钙钛矿太阳电池等领域展开研究工作。

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07-2021

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02-2021

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《Research》是中国科协与美国科学促进会于2018年共同创办的定位为国际化、高影响力、世界一流水平、综合性、大型OA科技期刊,是美国《Science》自1880年创刊以来第一本合作期刊。主要发表先进能源、先进制造、先进材料、人工智能、环境科学、柔性电子、健康科学、信息科学、微纳科技、量子信息、空间科学,11个热点交叉领域突破性原创研究成果。主编(中国)为中国科协副主席、中国科学院院士包为民,主编(国际)为美国明尼苏达大学麦克凯特杰出教授崔天宏。第二届编委会由许宁生、高松、黄如、李兰娟、饶子和、俞书宏、崔铁军等国内外50余位院士在内的170位编委组成。已被CAS、CNKI、CSCD、DOAJ、EI、SCIE、INSPEC、PMC、Scopus、SAO/NASA Astrophysics Data System数据库收录。

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e-ISSN: 2639-5274

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CN: 10-1541/N

DOI Prefix: 10.34133

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