Metalhalogenidperovskit-nanokrystaller er blevet ideelle kandidatmaterialer til displayteknologi på grund af deres fremragende optoelektroniske egenskaber. Den svage koordination og langkædede struktur af traditionelle ligander (såsom oliesyre/oleylamin) fører imidlertid til alvorlige overfladedefekter og begrænset transport af bærere, hvilket begrænser forbedringen af perovskit-lysemitterende dioder (PeLED)'s ydeevne. For at løse dette problem offentliggjorde teamet ledet af Rongjun Xie fra School of Materials Science and Engineering ved Xiamen University en forskningsartikel med titlen "Citrate Ligand Improves Luminous Efficiency of Green Perovskite Light-Emitting Diodes" i *Journal of Luminescence*. Forskerholdet udviklede en kortkædet, stærkt chelaterende citronsyre (CA) ligand, der danner flere koordinationsbindinger og hydrogenbindinger med nanokrystaloverfladen gennem dens carboxylsyregruppe (-COOH) og hydroxylgruppe (-OH), hvilket opnår effektiv passivering af overfladedefekter i CsPbBr3-nanokrystaller. Den grønne perovskit-lysdiode, konstrueret baseret på denne strategi, opnåede en peak external quantum efficiency (EQE) på 13,58%, hvilket giver en billig og effektiv ny løsning til manipulation af perovskit-overflader.
Ligand-interaktionsmekanisme
Forskerholdet valgte innovativt citronsyre som ligand og introducerede den i CsPbBr3 perovskit nanokrystalsystemet gennem en postsyntetisk ligandudvekslingsproces. Som en multidentat chelaterende ligand kan citronsyrens carboxylsyre- og hydroxylgrupper stabilt binde til CsPbBr3-overfladen gennem en dobbelt interaktion af bidentat koordination og hydrogenbinding. Beregninger baseret på tæthedsfunktionalteori (DFT) viste, at adsorptionsenergien for citronsyreliganden nåede -0,39 eV, hvilket er signifikant højere end -0,26 eV for oliesyre/oleylaminliganden, hvilket termodynamisk demonstrerer dens stærkere overfladebindingsevne. Fourier-transform infrarødspektroskopi og røntgenfotoelektronspektroskopi verificerede yderligere dannelsen af koordinationsbindinger og hydrogenbindinger, hvilket opnåede effektiv passivering af overfladedefekter i perovskit nanokrystallerne.
Figur 1: Interaktionsmekanisme mellem CsPbBr3 nanokrystaller og overfladeligander
Flere optimeringer af nanokrystallers optiske egenskaber
Modifikationen med citronsyreligander forbedrer omfattende morfologien og de optiske egenskaber af CsPbBr3 perovskit nanokrystaller. Morfologisk bevarer de modificerede CsPbBr3 nanokrystaller deres typiske kubiske fase med en mere ensartet gennemsnitsstørrelse og betydeligt forbedret størrelsesfordelingskoncentration, hvilket lægger et strukturelt fundament for forbedret optisk ydeevne.
Med hensyn til optisk ydeevne udviser de modificerede nanokrystaller fremragende egenskaber. Deres emissionstop stabiliserer sig ved 513 nm, hvor fuld bredde ved halv maksimum (FWHM) indsnævres til 19,7 nm; fotoluminescenskvanteeffektiviteten (PLQY) stiger signifikant fra 67,1% til 95,5%, og den ikke-radiative rekombinationshastighed falder fra 68,5 μs⁻¹ til 5,4 μs⁻¹, hvilket demonstrerer signifikant defektpassivering. Samtidig forbedrede citronsyreliganden også materialets termiske stabilitet. Selv ved 100 ℃ opretholdt nanokrystallerne en høj initial fluorescensintensitet, og excitonbindingsenergien blev øget til 145,3 meV. Denne forbedrede excitonbindingseffekt sikrede, at systemet opretholdt den excitondominerede rekombinationsvej under høje temperaturforhold, hvorved der opnås en synergistisk forbedring af termisk stabilitet og luminescenseffektivitet.
Figur 2: Morfologi og optiske egenskaber af CsPbBr3 nanokrystaller
Effektiviteten af grøn perovskit lysdiode forbedredes markant
Baseret på citronsyremodificerede CsPbBr3 nanokrystaller konstruerede forskerholdet en grøn perovskit lysdiode med en ITO/NiOx/Poly−TPD/CsPbBr3/TPBi/LiF/Al struktur, hvilket opnåede en betydelig forbedring af enhedens elektroluminescensydelse. Enheden udviser en elektroluminescenstop ved 517 nm og CIE-farvekoordinater på (0,099, 0,755), hvilket langt overstiger den grønne lysstandard i National Television Systems Committee (NTSC) farveskala, hvilket demonstrerer fremragende farverenhed. Peaklysstyrken er øget til 1208 cd/m², og den peak eksterne kvanteeffektivitet (EQE) når 13,58%, 2,9 gange højere end for konventionelle systemer. Peakstrømeffektiviteten er også forbedret til 42,93 cd/A. Denne forbedring af ydeevnen tilskrives den effektive passivering af defekter gennem overfladeligandteknik, modulering af bærerrekombinationsveje og optimering af deres transportbalance.
