澳门科技大学/苏州大学唐建新课题组Adv. Funct. Mater.：界面分子控制实现高效钙钛矿发光二极管

导语

钙钛矿发光二极管正成为新一代高清显示器的有前途的候选者，具有出色的色纯度和低功耗。然而，晶界处的大量缺陷和严重的界面激子猝灭是阻碍钙钛矿发光二极管商业化进程的关键挑战。苏州大学唐建新课题组近期发表了一项通过新颖且可行的界面分子控制策略实现高效钙钛矿发光二极管的研究成果。通过采用具有丰富氧化膦基团的双功能材料来诱导钙钛矿和电子传输层（ETL）之间的强相互作用和激子管理，因此，绿光（488 nm）和红光（666 nm）发射的钙钛矿发光二极管分别实现了18.8%、12.6%和12.3%的最大外部量子效率。这项研究揭示了界面分子控制对于减少钙钛矿发光二极管能量损失的重要性。相关研究成果以“Interfacial Molecule Control Enables Efficient Perovskite Light-Emitting Diodes”为题发表在Adv. Funct. Mater.（DOI: 10.1002/adfm.202307818）。

前沿科研成果

界面分子控制实现高效钙钛矿发光二极管

金属卤化物钙钛矿由于其优异的发光特性和简单的可加工性，已被证明是未来高质量显示器候选者。在过去的几年里，钙钛矿发光二极管（PeLED）的性能发展取得了巨大进展。绿色和红色PeLED的外部量子效率（EQE）都超过了25%，蓝色PeLED在没有额外光学提取的情况下表现出接近20%的良好EQE。然而，大多数最先进的PeLED是基于调控钙钛矿获得的，主要包括成分控制、尺寸工程、缺陷钝化等。除了钙钛矿材料本身，钙钛矿发射层（EML）和空穴传输层（HTL）/电子传输层（ETL）之间的界面对PeLED的性能有非常强烈的影响，主要体现在光能损失、电荷转移不足、局部载流子捕获和不希望的荧光猝灭。基于此，本文通过在钙钛矿发射层上沉积超薄2,4,6-三[3-（二苯基膦基）苯基]-1,3,5-三嗪（PO-T2T）。该分子具有丰富的给电子基团和高三重态能级，其中的P=O基团与晶界处的未配位的Pb2+离子之间的强相互作用有效地钝化界面缺陷。此外，PO-T2T薄膜可以作为激子从钙钛矿发射极转移到ETL的阻隔层，从而抑制PeLED中的界面激子猝灭。由于PO-T2T间隔层的协同效应，在513nm、488nm和666nm的EL波长下分别获得了最大EQE为18.8%、12.6%和12.3%的高效PeLED。这项工作提出了一种通过界面分子控制对钙钛矿发射体进行有效可控的后处理的策略，为释放PeLED的发光潜力提供了进一步的指导。

图1. 钙钛矿薄膜的性能表征。（来源：Adv. Funct. Mater.）

作者首先对钙钛矿薄膜进行了晶体结构、表面形貌和光学性质的表征。PO-T2T未对钙钛矿薄膜的晶体结构和表面形貌造成影响。PL和TRPL表征显示出增强的PL强度和较长的激子衰变寿命，表明了引入的PO-T2T层可以抑制钙钛矿膜的表面陷阱态。据报道，这种表面缺陷钝化可归因于在钙钛矿晶界处供电子的P=O基团和欠配位的Pb2+之间的相互作用。

图2. 钙钛矿与PO-T2T之间的相互作用。（来源：Adv. Funct. Mater.）

为了验证PO-T2T的P=O基团与钙钛矿膜之间的相互作用，作者进行了核磁共振（NMR）光谱、XPS和傅里叶变换红外（FTIR）光谱，如图2所示。PO-T2T的P=O基团将其在氧原子上的孤电子对贡献给Pb2+的空6p轨道，不仅可以增加Pb原子的外围电子，而且可引起Pb2+和Br−离子之间静电相互作用的变化。因此，通过插入PO-T2T改性层来调节界面分子特性对钝化钙钛矿表面缺陷起着至关重要的作用。

图3. 钙钛矿发光器件性能表征。（来源：Adv. Funct. Mater.）

图4. PO-T2T界面作用机理。（来源：Adv. Funct. Mater.）

作者制备了绿光、蓝光和红光钙钛矿发光二极管，分别获得了18.8%、12.6%和12.3%的EQE,印证了该策略的普适性。除了界面钝化缺陷外，PO-T2T插入层的引入能够改善钙钛矿发光层和TPBi-电子传输层之间的能级排列。三维钙钛矿的T1能级与其单线态（S1）能级（~2.52eV）几乎相同。TPBi的T1能级约为2.6eV，与钙钛矿材料的T1能级非常接近。因此，三重态-三重态Dexter能量转移很有可能从钙钛矿膜发生到TPBi。这种现象可以通过非辐射复合过程导致强烈的激子猝灭（图4b）。PO-T2T的T1能级比TPBi层高0.4eV（图4c）。因此，PO-T2T插入层可以抑制钙钛矿和ETL之间的不利能量转移。

总结

这项工作证明了一种有效且可控的界面工程，通过沉积PO-T2T超薄膜来调节PeLED的界面分子。该策略已被证明通过P=O基团和欠配位Pb2+之间的强相互作用实现了有效的表面缺陷钝化，极大地抑制了陷阱介导的非辐射复合。此外，PO-T2T的高T1能级能够通过阻断从钙钛矿EML到ETL的能量转移来管理激子动力学。在PO-T2T改性的两种协同作用下，钙钛矿顶表面的界面能损失显著降低。

本篇工作通讯作者为澳门科技大学/苏州大学的唐建新教授和沈阳博士、华东师范大学的李艳青教授。中国计量大学的叶永春博士为该论文的第一作者。上述研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、澳门科技发展基金、江苏省科技厅、上海市科委科技创新计划、浙江省自然科学基金、苏州纳米科技协同创新中心的资助。

教授简介

唐建新教授，2002年获浙江大学学士学位；2006年获香港城市大学博士学位；曾在日本千叶大学作访问学者，在香港城市大学担任高级研究助理，在日本三菱电机株式会社担任芯片设计工程师；2008年受聘为苏州大学教授、博导，任教至今 ；2021年同时受聘澳门科技大学教授。主要从事光电子学器件物理研究，探索界面调控在高效发光二极管和光伏太阳能电池的光电转换过程的应用。主持国家和省部级项目多项。入选国家级重点人才计划、国家基金委“优秀青年科学基金”、科技部中青年科技创新领军人才、江苏省“333高层次人才培养工程”第二层次、江苏省“六大人才高峰”高层次人才培养对象。获江苏省科学技术一等奖（排名第1），教育部“高等学校科学研究优秀成果奖”自然科学二等奖1项（排名第1），江苏省青年科技奖。

邀稿

今天，科技元素在经济生活中日益受到重视，中国迎来“科学技术爆发的节点”。科技进步的背后是无数科学家的耕耘。在追求创新驱动的大背景下，化学领域国际合作加强，学成归国人员在研发领域的影响日益突出，国内涌现出众多优秀课题组。为此，CBG资讯推出“人物与科研”栏目，走近国内颇具代表性的课题组，关注研究、倾听故事、记录风采、发掘精神。来稿请联系C菌微信号：chembeango101。

投稿、转载授权、合作、进群等