【研究】卤化物钙钛矿型发光二极管光电特性的空间变化

导读：本研究的目的是研究钙钛矿LED在晶界（GBs）和晶内（GIs）光照下表面电位的局部变化，了解钙钛矿LEDs的化学成分、空间形貌和局部光电特性之间的关系，进而影响器件的整体性能。最终为基于卤化物钙钛矿的LED和功能材料的性能改进设计提供了新的思路。

目前，卤化物钙钛矿在发光二极管中的应用正在进行大量的研究。与钙钛矿型太阳能电池不同，钙钛矿型发光二极管光电特性的空间变化对器件整体性能的影响研究甚少。

来自澳大利亚新南威尔士大学、中国科学院化学研究所等单位的科学家们对此进行了探究，研究了三重态管理在这种材料中的纳米电子效应，以研究光照下表面电位的变化。在光照下，晶粒和晶界的相关接触电位差可以提高发光效率。光照变化后的表面电位弛豫时间取决于钙钛矿材料的尺寸和从钙钛矿无机晶格到二维间隔层三重态能级的空穴转移。相关论文题目以“Nanoscale Electronic Properties of Triplet-State-Engineered HalidePerovskites”发表在The Journal of Physical Chemistry C期刊上。

论文链接：

https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.0c03996

准二维钙钛矿由于水分子在钙钛矿晶格中的渗透减少，与三维钙钛矿相比表现出更好的稳定性。准二维钙钛矿利用较高的激子结合能，更容易产生辐射激子发射。另一方面，准二维钙钛矿的形貌由于引入了第二个较大的阳离子而呈现出小颗粒的特征，从而限制了三维钙钛矿骨架的生长。因此，低维晶粒中的激子可以通过能量漏斗被限制并级联到高维晶粒中。这种形貌和晶体性质有利于提高钙钛矿型发光二极管的性能。

此外，作者最近探索了准二维钙钛矿中的长寿命三重态激子。在准二维钙钛矿结构中，采用具有高三重态能级的有机阳离子，如PEA，可以有效地捕获三重态。相比之下，用具有低三重态能量（NMA）的阳离子取代有机阳离子，由于有机阳离子对三重态的猝灭而导致效率低下。然而，由于能量的排列，电荷转移会发生并与能量转移竞争。因此，有必要研究不同阳离子的准二维钙钛矿的电荷输运性质。

基于上述考虑，作者采用原子力显微镜（AFM）、开尔文探针力显微镜（KPFM）和导电原子力显微镜（c-AFM）研究了三维和准二维钙钛矿的形貌与光电性能之间的关系，以提高其发光效率。研究结果表明，利用高三重态能级的有机阳离子有效地限制载流子在光照下的分布，可以改善钙钛矿型发光二极管（PeLEDs）的性能。

图1 a）P2F8和N2F8卤化物钙钛矿的化学结构，b）EDA+基3D钙钛矿，FAPbBr3和（c-e）PEA+，NMA+基准2D和EDA+基钙钛矿的形貌图。用原子力显微镜测量了样品形貌的纳米级空间图，如图1（c-e）所示。从图1（c-e）可以看出，P2F8和N2F8卤化物钙钛矿的晶粒较小（10nm），约为EDA+基3D钙钛矿的10倍（100nm左右）。

图2：开尔文探针力显微镜表征。在EDA+-3D基钙钛矿、P2F8和N2F8的480nm波长（d-f）条件下，样品在黑暗（ac）和光照下的CPD图。暗环境和光照条件下的CPD直方图分布（g）。（h-i）SPV对光照强度的依赖性。

图3:CPD的时间依赖性，a）关闭和打开光时扫描的CPD图像，a）基于EDA+-3D的钙钛矿，b）P2F8，和c）N2F8-准二维，灰盒表示随着每个周期中强度的增加，照明后“关闭光”，d）CPD的时间依赖性曲线和（e）去除光照后暗区的平均CPD。用f）EDA+-3D钙钛矿，g）P2F8和h）N2F8-准2D得到的特征平均衰变时间关闭光后CPD的指数衰变。i）衰变时间常数随光照强度的变化。

图4: a) N2F8和 b) P2F8不同条件下的C-AFM电流图。c）P2F8和 d) N2F8中的能量图和转移过程。

（文：爱新觉罗星）

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