可溶液加工的金屬鹵化物鈣鈦礦具有發(fā)光顏色純度高、發(fā)射波長可調制和電荷傳輸的性能優(yōu)異等特性，因此，它們被認為是低成本，高柔性和輕量級高性能發(fā)光二極管 (LED)的發(fā)光層材料的潛在候選者。
在過去十年中，鈣鈦礦LED的性能得到了廣泛的優(yōu)化，通常是通過結合分子添加劑，鈣鈦礦LED已經實現了超過 20% 的外量子效率 (EQE)。更高效的鈣鈦礦LED不斷涌現引起了廣泛關注，于此同時，在低亮度下，其穩(wěn)定性得到了提高。
然而，多數鈣鈦礦LED的高EQE和改進的穩(wěn)定性主要是在低電流密度(<1 mA cm?2)和低亮度下實現的，這無疑阻礙了它們的實際應用。因此，在高亮度下保持 EQE 和穩(wěn)定性已經成為鈣鈦礦LED商業(yè)化的主要挑戰(zhàn)。
近日，由英國劍橋大學與中國科學技術大學等聯合團隊通過引入一種多功能分子MSPE，設計了一種近紅外波段高亮度下可以保持高效率和穩(wěn)定性的鈣鈦礦LED，以“Bright and stable perovskite light-emitting diodes in the near-infrared range”為題發(fā)表于Nature，于2023年3月15日正式上線。
在這項工作中，研究者通過設計一種多功能分子 2-(4-(甲基磺酰基)苯基)乙胺 (MSPE)(圖 1)來控制三維立方相(α-相) FAPbI3鈣鈦礦薄膜的光電、晶態(tài)和形態(tài)特性。
圖1: a, MSPE分子結構. b, 一個完整MSPE LED 的STEM–HAADF 圖像.(原文Fig. 1a, b)
MSPE提高了結晶度和光致發(fā)光 (PL) 效率，并通過去除鈣鈦礦薄膜中的非輻射暗區(qū)來誘導均勻發(fā)光(圖2)。作為一種多功能添加劑，MSPE在不連續(xù)鈣鈦礦晶粒之間的自組裝還抑制了電荷傳輸層界面處的發(fā)光淬滅。此外，MSPE 器件顯示焦耳熱減少，這允許LED在超高電流密度下保持高 EQE 并減少熱降解。通過全面抑制薄膜和器件中的非輻射路徑，研究者實現了在高亮度下高效且穩(wěn)定性的近紅外鈣鈦礦 LED。
圖2: a,c控制組鈣鈦礦薄膜(無MSPE)與添加MSPE 鈣鈦礦薄膜的光致發(fā)光強度(左)與壽命(右)分布對比. b,d, 鈣鈦礦薄膜電荷載流子動力學. (原文Fig. 3a-d)
這種鈣鈦礦LED發(fā)出800nm 近紅外光，可以在電流密度為33mA cm?2時，達到 23.8% 的峰值EQE，并在高達1000mA cm?2的電流密度下，保持超過 10% 的 EQE。在脈沖操作的模式下，鈣鈦礦LED在4000mA cm?2的超高電流密度下，能夠保持 16%的EQE以及超過3200W sr-1m-2的高亮度。值得注意的是，該鈣鈦礦LED在 107W s-1m-2的初始亮度下，實現了32小時的工作半衰期，這代表了高效率鈣鈦礦LED在高亮度下最佳的穩(wěn)定性(圖3)。
圖3: 報道的近紅外LED的峰值EQE和峰值亮度(左，原文Fig. 1g). 報道的不同發(fā)光顏色的鈣鈦礦LED器件壽命和初始亮度(右，原文Fig.S4b)
該結果表明，可低溫溶液處理的鈣鈦礦 LED 有潛力在高亮度下實現高效率和穩(wěn)定性，這是邁向商業(yè)化的重要一步，也開辟了超越傳統 LED 技術(例如鈣鈦礦電泵浦激光器)的新機遇。
