導讀：作者通過超高壓退火實現了用準二維(Q-2D)鈣鈦礦抑制低維量子阱的形成。測試證實了尺寸剪裁，其次是結構相關的光電特性。觀察到了超高壓退火誘導的量子阱加速電荷載流子的輻射複合。解釋了量子阱形成的機理。這些發現將為優化Q-2D鈣鈦礦在各種光電領域的應用開闢一條新的途徑。
準二維（Q-2D）鈣鈦礦具有多維量子阱（QWs）的特性，是光電子應用的主要候選材料。然而，由於聲子-激子相互作用和絕緣的有機陽離子的夾雜，過多的低維鈣鈦礦對器件效率不利。來自南京理工大學最新研究表明，通過超高真空（UHV）退火去除有機陽離子1-萘甲胺碘化物（NMAI），抑制了低維QWs的形成。與在手套箱中退火的薄膜相比，在超高壓退火條件下製備的鈣鈦礦型發光二極體（PLEDs）器件具有13.0%的外量子效率和11.1%的電光轉換效率。相關論文以題為「Dimensional Tailoring of Ultrahigh Vacuum Annealing-Assisted Quantum Wells for the Efficiency Enhancement of Perovskite Light-Emitting Diodes」發表在ACS Applied Materials & Interfaces。
論文連結：
https://doi.org/10.1021/acsami.0c02217
準二維（Q-2D）鈣鈦礦材料具有高的光致發光量子效率（PLQE）和良好的薄膜覆蓋率等優良性能，使其在鈣鈦礦發光二極體（PLEDs）的應用中具有很高的應用價值。Q-2D鈣鈦礦的多維量子阱（QWs）不僅限制了注入電荷載流子以提高材料的光電性能，而且減少了表面水的滲透以提高器件的長期穩定性。近年來，基於1-萘甲胺碘化物（NMAI）有機間隔基的Q-2D鈣鈦礦被報導具有良好的PLEDs性能。然而，Q-2D鈣鈦礦通常含有小n-QWs和大n-QWs的混合相。由於聲子-激子相互作用和絕緣的較大有機陽離子的夾雜，過多的低維小氮量子阱不利於器件的效率。因此，為了通過改進的輻射複合過程來提高器件的性能，通常需要進行尺寸裁剪。
本文研究了超高真空退火對NMAI基Q-2D鈣鈦礦薄膜低維相（小n-QWs）形成的抑制作用。作者進一步研究了超高壓退火對鈣鈦礦薄膜的QWs結構及其對PLEDs性能的影響。採用掠入射廣角X射線散射（GIWAXS）系統地研究了退火鈣鈦礦晶體的尺寸變化。對紫外-可見吸收光譜和光致發光光譜進行了詳細的分析，以解釋與維數相關的光學性質。優化後的超高真空退火膜具有更快的光致發光衰減和更高的光致發光質量，這證實了量子阱的抑制形成加速了輻射複合速率。用X射線光電子能譜（XPS）從元素化學計量比變化的角度解釋了鈣鈦礦的尺寸演化。進一步用優化的超高壓退火鈣鈦礦薄膜製備了PLEDs，與用手套箱退火製備的相同的PLEDs相比，其EQE高達13.0%，光電轉化效率高達11.1%。
圖1.鈣鈦礦薄膜的二維GIWAXS譜，（a）薄膜Ⅰ，（b）薄膜Ⅱ，（c）薄膜Ⅲ和（d）薄膜Ⅳ，（e）GIWAXS譜的qr強度圖。（f）不同壓力下退火形成的具有不同n數的鈣鈦礦自組裝膜的結構示意圖。
圖2.（a）鈣鈦礦薄膜的紫外-可見吸收。（b）穩態光致發光光譜。（c）用TCSPC探測PL壽命。
圖3.（a-d）顯示了鈣鈦礦薄膜中元素（C，N，Pb和I）的XPS核心能級譜。從上到下每四個光譜分別來自於膜Ⅰ、膜Ⅱ、膜Ⅲ和膜Ⅳ。特徵的化學來源用顏色標記並顯示在插入件中。
圖4.基於上述薄膜製備的PLEDs的光電特性。（a）PLEDs的能級圖。（b）器件的EL光譜。（c）電流密度和輻射率與電壓的關係。（d）EQE是電流密度的函數。（e）根據電流密度繪製的電光轉換效率。（f）70個器件分別具有膜-Ⅰ和膜-Ⅲ的峰EQEs直方圖。
（文：愛新覺羅星）本文來自微信公眾號「材料科學與工程」。歡迎轉載請聯繫，未經許可謝絕轉載至其他網站。