物質學院聯合團隊開發雜化鈣钛礦電致發光器件穩定性提升新策略

時間:2019-08-20浏覽:11設置

有機-無機雜化鈣钛礦發光材料以其半峰寬窄、色域可調、高量子産率等一系列優異的性能而備受關注。經過短短數年的發展,鈣钛礦材料發光二極管器件的外量子效率便已突破20%,是下一代高分辨率顯示設備的有力競爭者之一。然而,穩定性問題嚴重阻礙了該材料在電致發光器件中的發展和應用,由于鈣钛礦結構的形成能較低,鈣钛礦結構在電場和外界水氧存在的條件下容易發生結構解離和離子遷移,造成材料本身發光光譜變化和發光二極管器件工作壽命較短。穩定性的提升是該材料在平板顯示領域商業化應用的重大挑戰。我校物質學院甯志軍、劉偉民和柯友啓課題組合作在有機-無機雜化鈣钛礦發光器件的穩定性研究上取得重要進展。近日,该成果以“Highly Stable Hybrid Perovskite Light-Emitting Diodes Based on Dion-Jacobson Structure” 为题,于《Science》旗下子刊《Science Advances》上发表。


這項研究首先通過第一性原理計算揭示相對于範德華力連接的Ruddlesden-Popper(RP)結構,以化學鍵連接的Dion-Jacobson(DJ)結具有更大的結合能(圖1),提高了有機分子從層狀的鈣钛礦結構中解離需要的能量。此外,相對于RP結構,雙氨基分子的應用減少了有機配體的數量,有利于提高電流注入效率,減少非輻射複合導致的器件溫度升高和結構變化。


在此基礎上通過采用雙氨基分子的對苯二甲胺取代傳統的單氨基分子苯乙胺作爲鈣钛礦材料的長鏈配體,制備了Dion-Jacobson(DJ)結構的薄膜。通過掠入角X射線衍射的表征發現相對RP結構,DJ結構的層間距明顯變小,證實了DJ結構的形成。通過進一步調控有機分子的比例得到了梯度分布的層狀鈣钛礦結構,大幅提升了薄膜的發光量子效率,用瞬態吸收光譜揭示了薄膜中不同層數鈣钛礦之間的載流子傳遞過程。


以DJ结构钙钛矿制备的发电致发光器件,最大的辐照强度达到了88.5 W sr-1 m-2,工作寿命T50超过100个小时,是已报道的寿命最长的有机-无机杂化钙钛矿发光二极管器件。通過瞬態吸收光譜來跟蹤鈣钛礦結構在工作環境下的穩定性,發現鈣钛礦結構在連續工作100小時之後沒有發生明顯變化,而RP結構在長時間的運行之後發生了明顯解離,進一步證明了DJ鈣钛礦結構在電場下具有較高的穩定性。


該工作表明通過提高鈣钛礦的形成能和載流子注入效率,DJ結構可以有效的提高有機-無機雜化鈣钛礦材料的穩定性,爲鈣钛礦材料的穩定性研究提供了新的思路。


課題的研究工作全部在上海科技大學完成,甯志軍教授課題組博士生尚躍群(即將去瑞典林雪平大學做博士後)爲第一作者,碩士生廖園、博士生魏旗爲共同第一作者,劉偉民教授課題組的碩士生王子钰爲共同作者,甯志軍課題組完成了材料的設計和制備、器件的制備和表征,劉偉民課題組完成了瞬態吸收光譜的表征,甯志軍教授和劉偉民教授爲通訊作者,上海科技大學爲第一完成單位。該項工作還得到了柯友啓教授在理論計算方面的支持,充分體現了物質學院良好的交叉合作研究氛圍。該工作得到國家自然科學基金、上海市科委基礎研究領域項目以及上海科技大學啓動基金的支持。


文章鏈接:

https://advances.sciencemag.org/content/5/8/eaaw8072/tab-pdf



图1. (a)双氨基分子(DJ结构)和单氨基分子(RP结构)与层状无机钙钛矿的结合示意图;(b) 理論計算的結合能;(c)理論計算的分離能


图2. Dion-Jacobson结构(c, d)和Rddlesden-Popper结构(e, f)在器件工作之前(c, e)和工作100小时后(d, f)的瞬态吸收光谱对比


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