低维铅卤钙钛矿的制备及其在发光二极管中的应用研究

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铅卤钙钛矿因具有可溶液法制备、光色纯度高及缺陷容忍度高等优势,被认为是一种理想的发光材料。然而,现阶段基于铅卤钙钛矿制备的发光二极管(Perovskite light-emitting diodes, PeLED)器件的性能与工艺成熟的LED器件(如有机发光二极管)仍有较大的差距,其效率及寿命依然还有较大的提升空间。低维钙钛矿由于具有较高的荧光效率,更有利于制备高性能的LED器件而成为研究的热点。本论文首先制备了准二维及零维钙钛矿材料,并优化其光电性能,进一步制备了高效的PeLED器件。具体工作如下:
  (1)基于CsPbBr3,制备了荧光量子产率(Photoluminescence quantum yield, PLQY)较高的准二维CsPbBr3材料,并将其应用在LED器件中。分析对比了三种类似的分子苯甲基溴化铵(PMABr)、苯乙基溴化铵(PEABr)及苯丙基溴化铵(PPABr)对CsPbBr3材料光电性能和PeLED器件性能的影响。研究发现,由于PEABr碳链长度适中,在降低CsPbBr3维度的同时可以较好地保持其电荷传输能力,因此,基于PEABr的钙钛矿材料在绿光PeLED中表现出最佳的器件性能,最大EQE达到了3.5%。
  (2 )在基于PEABr的准二维CsPbBr3钙钛矿材料中引入聚氧化乙烯(Poly(ethylene oxide), PEO),通过PEO钝化其中的卤素空位缺陷,将钙钛矿薄膜的PLQY提升到40%。在两种材料的协同作用下,CsPbBr3原位形成晶粒尺寸小,缺陷较少的纳米晶,基于此钙钛矿薄膜制备的绿光PeLED器件实现了最大EQE为12%、发光峰位为516nm的绿光发射。
  (3)通过在原位CsPbBr3纳米晶中引入NaBr使Na+部分替代有机物PEA+,从而改善钙钛矿发光层的电学性能。当NaBr的添加量达到5%时,PeLED器件表现出最佳的器件性能,其最大EQE提升到17.4%。NaBr提升PeLED器件的性能主要有两方面因素:首先,NaBr可以将晶粒尺寸从32.4nm减小到20nm,因此可以提升钙钛矿薄膜的辐射复合速率,将PLQY进一步提升到68%;另外,NaBr的添加降低了薄膜中PEA+的含量,从而提升了CsPbBr3薄膜中电子与空穴传输能力并进一步促进了载流子传输平衡。
  (4)基于FAPbBr3纳米晶(Nanocrystal, NCs),通过引入离子液体提升纳米晶材料的光电性能,并进一步制备高效PeLED器件。引入离子液体1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐(1-Butyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate, BMIMBF4)对配体进行调控,利用电学性能更好的BMIMBF4部分替换长链有机胺,从而提升FAPbBr3NCs的电荷传输能力,将FAPbBr3NCs绿光PeLED器件的最大EQE从13.2%提升到16.2%。
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