南科大副教授王愷團隊在鈣鈦礦發光二極體領域取得系列研究進展

2020-12-27 南方科技大學

近期，南方科技大學電子與電氣工程系（下簡稱「電子系」）副教授王愷課題組在鈣鈦礦發光二極體領域取得系列研究進展，先後在信息材料和光學領域高水平期刊Advanced Materials，ACS Energy Letters，Communications Materials, Optics Express累計發表4篇論文。

鈣鈦礦發光二極體（Perovskite Light-Emitting Diode, PeLED）是用鈣鈦礦材料作為發光層進行電光轉換的器件。相比其它發光材料，鈣鈦礦具有發光峰窄、色域廣、波長易調、製備方法靈活兼顧低成本等特點，因而PeLED在顯示領域極具應用前景。

得益於準二維鈣鈦礦獨特的多量子阱結構，近年來基於準二維鈣鈦礦製備的藍光PeLED引起了廣泛的關注。然而傳統的準二維鈣鈦礦相分布較寬，尤其是大量低階相組分（n=1, 2），阻礙了鈣鈦礦相之間有效的能量傳遞，導致較低的器件發光性能。此外，鈣鈦礦在結晶成膜的過程中會不可避免的產生一些缺陷態，使得電子-空穴對的非輻射複合機率上升，進一步制約著器件性能的提升。

在發表於ACS Energy Letters的研究中，課題組提出了準二維鈣鈦礦與二維鈣鈦礦結合的方法，發現雙配體製備的準二維鈣鈦礦可以有效抑制低階相鈣鈦礦的生長，提高了鈣鈦礦的相純度，從而有效改善了鈣鈦礦相之間的能量傳遞，並實現穩定的電致發光峰位。與此同時，研究還發現過量的PEABr可以填補鈣鈦礦結晶過程中產生的離子空位，降低鈣鈦礦的缺陷態密度。最終，基於鈣鈦礦相分布調節以及缺陷鈍化的策略製備出高效（EQE=7.51%）的鈣鈦礦藍光器件，比對照樣PeLED（EQE=3.46%）提高了117%。課題組訪問博士後任振偉為該論文第一作者，王愷、南科大電子系教授陳銳和香港大學教授Wallace C. H. Choy為共同通訊作者。研究工作得到了南科大電子系講席教授孫小衛的大力支持。

圖 1. PeLED器件結構與性能，以及PeLED在恆定電流驅動下電致發光光譜（ACS Energy Lett. 2020, 5, 2569）

雖然通過提高準二維鈣鈦礦的相純度可以提高相間能量傳遞過程，但是基於單一官能團（有機胺離子）製備的準二維鈣鈦礦，有機鏈之間的堆疊使得不同相之間存在範德華力，從而使得相之間不可避免地產生範德華間隙，制約著能量更加有效地傳遞。在發表於Advanced Materials的研究論文中，課題組在準二維鈣鈦礦中引入含有雙官能團（氨基和羧基）的配體，促進了不同鈣鈦礦相間的耦合作用，從而有效提高了鈣鈦礦相間的能量傳遞，顯著提升器件性能。研究結果表明，基於ABABr配體修飾的藍光PeLED獲得了超過10% 的外量子效率（EQE=10.11%），比未修飾樣PeLED（EQE=7.07%）提高了40%，相應地器件工作壽命也從32.1 min提高到81.3 min，使得器件性能位於目前藍光PeLED報導的最高性能之列。課題組訪問博士後任振偉為該論文第一作者，王愷、陳銳和香港大學Wallace C. H. Choy為共同通訊作者。

圖2. 準二維鈣鈦礦層間相互作用，藍光PeLED電致發光CIE坐標及其器件性能（Adv. Mater. 2020, 2005570）

同時，在鈣鈦礦發光二極體中，還存在電子注入過剩、空穴注入不足的問題。過剩的電子容易在界面積累，引發激子猝滅等問題，不利於器件性能提高。因此，增強器件中空穴的注入，促進載流子的注入平衡，對於提高PeLED性能十分必要。在發表於Communications Materials的研究成果，課題組提出了一種基於電偶極層的空穴注入增強策略。首先，通過引入電荷輸運的跳躍模型分析，研究團隊證實了介於空穴注入層與空穴傳輸層之間的電偶極層對空穴注入的增強作用。而MoO3具備深能級特性，極易與相鄰空穴注入層及空穴傳輸層產生電荷轉移，從而形成大量電偶極子，極大增強空穴注入速率。器件內部的電場分布、載流子密度分布和複合速率分布的仿真計算結果從理論上證明了MoO3電偶極層對空穴注入的增強效果。器件的低頻電容-電壓特性分析結果也驗證了這一結論。在理論分析與仿真計算的基礎上，課題組基於MoO3電偶極層製備出的綠光PeLED外量子效率從8.7%顯著提升至16.8%，且電流效率高達72.7cd A-1，電流效率是已知同類器件中的最高值。課題組2017級南科大-港大聯合培養博士生肖翔天和2019級南科大-新加坡國大聯合培養博士生葉泰康為該論文共同第一作者，王愷和Wallace C. H. Choy為共同通訊作者。研究工作得到了孫小衛的大力支持。

圖3. (a)電偶極層結構示意圖；(b)器件載流子密度分布；(c)器件內電場分布；(d)對照組器件複合速率分布；(e)引入MoO3電偶極層後器件複合速率分布；(f)外量子效率-電流密度特性曲線；(g)電流效率-電流密度特性曲線；(h)電容-電壓特性曲線.（Communications Materials 2020, 1, 81）

較高工作溫度會對QLED/PeLED壽命產生嚴重影響，因此課題組進一步研究了不同因素對QLED/PeLED工作溫度的影響。在發表於Optics Express的工作中，課題組建立了得到實驗驗證的QLED/PeLED熱學模型，系統地分析了電光轉換效率、工作電壓、電流密度、有效工作面積、襯底尺寸、襯底材料以及環境條件等各種不同因素對器件工作溫度的影響規律，明晰了處於安全工作溫度的條件邊界，為發展高穩定性QLED/PeLED提供了有效指導。課題組2018級南科大-澳大聯合培養博士生張天琦為該論文的第一作者，王愷和澳門大學副教授邢貴川為共同通訊作者。

圖4. QLED/PeLED中：(a)電能轉化為光能與熱能的示意圖；(b)實際工作溫度和 (c)在同等工作條件下仿真的溫度結果；(d)-(i)不同影響因素對工作溫度的影響.（Opt. Express. 2020, 28, 34167）

以上研究還得到了孫小衛、微電子學院副教授汪飛、蘇州大學教授尹萬健、華中科技大學教授羅小兵、香港科技大學教授Kam Sing Wong、香港中文大學助理教授路新慧和南方科技大學分析測試中心，以及國家自然基金、國家重點研發計劃、廣東省自然科學傑出青年基金等項目和廣東省普通高校量子點先進顯示與照明重點實驗的支持。


論文連結：

https://doi.org/10.1021/acsenergylett.0c01015

https://doi.org/10.1002/adma.202005570

https://doi.org/10.1038/s43246-020-00084-0

https://doi.org/10.1364/OE.410393

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