深圳大学李贵君：晶格应变调制制备高效蓝色钙钛矿发光二极管

近日，深圳大学李贵君、黄埔、贺廷超课题组在蓝光钙钛矿发光二极管领域取得突破性进展。该研究成果以Lattice strain modulation towards efficient blue perovskite light-emitting diodes为题发表在Science开放获取子刊Science Advances杂志上。

由于蓝色钙钛矿发光二极管器件的性能较差，钙钛矿LED在高级显示器和照明领域中的商业化面临挑战。作者提出了一种通过引入晶格应变来形成双极化跃迁通道并增强带边跃迁，从而增强发光材料发光效率的普适性理论。基于上述理论，随后作者使用A位工程来诱导蓝光钙钛矿的晶格变形，A位工程还导致了准二维蓝光钙钛矿相分布的优化，形成了高效的级联能量漏斗结构。光物理过程和载流子动力学的协同作用，提升了蓝色钙钛矿发光二极管器件的性能，在488 nm的发光峰位置，实现14.71%外部量子效率。这项工作展示了一种通过引入晶格应变来增强带边跃迁能力实现器件性能大幅提升的通用策略。

研究背景

金属卤化物钙钛矿发光二极管因其优异的光电性能成为当下的研究热点。目前，绿色和红色钙钛矿发光二极管（PeLED）的外部量子效率（EQE）已超过20%，然而对于全彩显示器和固态照明来说必不可少的蓝色PeLED的性能仍然较差。一般来说，有两种方法制备钙钛矿发光层，一是通过引入氯化物以扩大钙钛矿的带隙，二是降低钙钛矿结构的维度或减小晶体尺寸（纳米晶体）来实现。但无论是二维、准二维还是三维钙钛矿，发光效率都与钙钛矿八面体的电子能带结构的激发态跃迁密切相关。而激发态跃迁取决于以跃迁偶极矩为特征的电子跃迁，同时电子跃迁很大程度上取决于晶格结构动力学。调制晶格结构是优化钙钛矿光电特性的有力工具。

研究进展

有鉴于此，作者首先使用密度泛函理论计算了钙钛矿晶格结构的应变对跃迁能力的影响。在本征的蓝光钙钛矿中，光学带边跃迁（光子吸收/发射）仅仅发生在x偏振光子模式。通过引入晶格应变可以在导带底区域周围实现能带的准简并态，是的光学带边跃迁可发生在沿y方向的极化跃迁模式，这将100%提高带边光学跃迁性能。该方法利用固有能带的性质以重建具有双偏振模式的带边跃迁通道。

使用二乙基溴化铵（DABr）调节晶格结构。XRD数据显示通过大阳离子DA的插入，钙钛矿晶格沿a轴膨胀6.0%，沿b轴收缩6.8%，与DFT计算的预测一致。本征钙钛矿的发射的光子是完全偏振的，而有晶格拉伸应变的钙钛矿由于混合x/y偏振而变为部分偏振。使用双光子光致发光系统测试钙钛矿的偏振特性，PL强度与经典的Malus定律吻合，表明了钙钛矿发光的线性偏振特性。原始PEA-CsPbBr2.3Cl0.7的各向异性R因子测量为27.5%，应变PEA-Cs1-xDAxPbBr2.3Cl0.7的R因子为7.4%，这一实验结果进一步验证了理论预测。

瞬态吸收 (TA) 测量用于揭示相位分布和光物理过程。添加DA离子之后，钙钛矿的相重新分布，表现出更好的分级的能量景观特征，有利于载流子从大带隙域转移到小带隙域的能量漏斗过程。与PEA-CsPbBr2.3Cl0.7（444 fs）相比，PEA-Cs1-xDAxPbBr2.3Cl0.7表现出加速的热载流子冷却时间（270 fs），快速的热载流子冷却时间有利于增强钙钛矿发光层的辐射复合。

电致发光 (EL) 光谱的 发光峰位于488 nm处，半峰全宽为28 nm，T50为20.5 min，最佳器件的峰值EQE达到14.71%，这是蓝色钙钛矿发光器件目前报道的最高效率之一。对器件施加的电压从3.2 V增加到8 V，EL峰值位置和FWHM保持不变。此外，EL 光谱在0.2 mA cm-2下连续运行约900 s不会发生改变。这些结果表明，开发的蓝色PeLED在电场和连续工作条件下具有出色的光谱稳定性。

研究展望

晶格结构在增强辐射复合中具有关键作用，通过调制晶格应变来增强钙钛矿的带边跃迁能力是一种通用策略，通过应变工程提升效率的理念可以扩展到其他钙钛矿光电器件的工作中去。

作者简介

刘保星，中南大学物理学博士学位。2015-2019年于中南大学先进材料超微结构与超快过程研究所，从事表面与界面物理，低维材料电子结构和磁学性能等方向的研究。2019年至今于深圳大学光电子器件与系统教育部重点实验室从事博士后科研工作，研究方向为高效钙钛矿发光器件的制备及其性能分析。己发表SCI论文二十余篇。

李贵君，深圳大学物理与光电工程学院助理教授。先后毕业于南开大学（本科）与香港科技大学（博士）。从事先进显示技术方面的设备、材料、工艺、器件和应用的基础和应用性研究工作。在Science Advances、Nature Communications、Advanced Energy Materials等国际顶级期刊发表高水平SCI论文80余篇。多次获学会/国内外会议颁发的优秀论文奖/最佳论文奖等。

转自：“学术猫”微信公众号

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