Effektive lysemitterende dioder baseret på orienterede perovskit-nanopartikler

Planare perovskite lysemitterende dioder (LED'er) er højtydende og omkostningseffektive elektroluminescensenheder, der er ideelle til store skærme og belysningsapplikationer. Ved at udforske emissionslagene med høje forhold mellem horisontale overgangsdipolmomenter (TDM'er), kan forskere øge fotonudkoblingen af ​​plane LED'er. LED'erne, der er baseret på anisotropisk perovskit, er ineffektive på grund af udfordringerne med at regulere orienteringerne af TDM'er såvel som vanskelighederne med at opnå høje fotoluminescens kvanteudbytter, herunder udfordringer med at realisere ladningsbalance i filmene af samlede nanostrukturer. I dette arbejde viste Jieyuan Cui og et forskerhold inden for kemi, materialevidenskab og optik i Kina effektiv elektroluminescens, der stammer fra en in-situ perovskitfilm lavet af et monolag af nanoplader. Holdet opnåede LED'er med en maksimal ekstern kvanteeffektivitet (EQE) på 23,6 procent for at repræsentere meget effektive plane perovskite LED'er.

Overgangsdipolmomenter og metalhalogenidperovskitter

Fotonemissionsegenskaberne i halvledere er baseret på overgangsdipolmomenter. Molekyler i et materiale kan opnå en exciteret eller ikke-exciteret tilstand gennem absorption og emission af lys, hvor reglerne for overgangsdipolmoment og kvantemekanik kan hjælpe med at forudsige, om overgangen til en exciteret tilstand er sandsynlig. Nanoplader og nanorods, der omfatter optiske overgangsdipolmomenter i materialer, er meget anisotrope, og deres struktur-egenskabsforhold er af interesse for plane lysemitterende dioder (LED'er). Generelt er overgangsdipolmomenter horisontalt orienteret til lyskobling, og de, der er vertikalt orienterede, bidrager til energitab. Metalhalogenidperovskiter er en anden ny klasse af opløsningsbehandlede halvledere med interessante egenskaber, herunder høje fotoluminescenskvanteudbytter og afstembare emissionsbølgelængder. I denne rapport har Cui et al. beskrev effektive LED'er baseret på in situ dyrkede perovskitfilm for at vise høje forhold mellem horisontale overgangsdipolmomenter og høje fotoluminescenskvanteudbytter.

Strukturel karakterisering af nanoblodplader

Enheden indeholdt et perovskitlag analyseret ved aberrationskorrigeret scanningstransmissionselektronmikroskopi (STEM). Holdet deponerede perovskitfilmen fra en precursoropløsning indeholdende flere forbindelser, herunder lithiumbromid, cæsiumbromid og blybromid opløst i dimethylsulfoxid (DMSO). Derefter observerede Cui et al en glat perovskitfilm ved hjælp af højvinklede ringformede mørkefelts (HAADF) billeder. Ved hjælp af zoom-in undersøgelser noterede de velopløste atomsøjler med højkrystallinske perovskit nanoplader. Derefter bestemte de ved hjælp af atomkraftmikroskopi materialets ruhed og forstod størrelsen af ​​perovskitkrystallerne eller nanopladerne ved hjælp af højopløsningstransmissionselektronmikroskopi.

Optiske analyser af nanopladefilmen

Holdet påvirkede de elektroniske og optiske egenskaber af perovskitfilmen ved hjælp af kvanteindeslutningseffekten og kvantificerede derefter orienteringen af ​​overgangsdipolmomenter af perovskitfilmen. Derefter beskriver Cui et al. analyserede lysemissionen af ​​perovskitfilmen ved hjælp af sort focal plane (BFP) spektroskopi. For at opnå dette undersøgte de et lille område af perovskit nanopladefilmen med en laser til fotoexcitation. Dataene indikerede fremragende rumlig ensartethed af den horisontale orientering af overgangsdipolmomenter i filmen. Holdet brugte derefter BFP-data fra fire pletter fra forskellige regioner til at vise fremragende rumlig ensartethed af orienteringerne af horisontale overgangsdipolmomenter i filmene. På grund af koncentrationen af ​​de voluminøse organiske ammoniumkationer og tilstedeværelsen af ​​lithiumbromid i precursoropløsningen, orienterede perovskit-nanopladefilmen med høje fotoluminescenskvanteudbytter. Ved at fordoble koncentrationen af ​​de voluminøse organiske ammoniumkationer har Cui et al. dannede perovskitfilm med stærke excitoniske absorptionstoppe og krediterede den horisontale orientering af nanopladerne på de flade substrater til Van der Waals-interaktioner.

Karakterisering af perovskite-LED'er, der fungerer ved stuetemperatur

Baseret på yderligere eksperimenter viste holdet, hvordan introduktionen af ​​lithiumbromid (LiBr) i precursoropløsningen forbedrede filmens fotoluminescenskvanteegenskaber. Derudover indikerede elektroluminescensspektret af perovskit-nanopladefilmen ultrarene grønne emissioner, og den pin-hole-fri morfologi af nanopladefilmen tillod ubetydelig strømlækage. Da de udførte optiske simuleringer på materialerne ved at bruge den klassiske dipolmodel udviklet til plane mikrokaviteter, viste resultaterne høj udkoblingseffektivitet på 31,1 procent for perovskit-enhederne baseret på orienteringen af ​​nanopladefilmen. Mens tidligere arbejde havde til formål at kontrollere orienteringerne af overgangsdipolmomenter ved at fokusere på samlingen af ​​anisotrope kolloide nanostrukturer, krævede højeffektiv elektroluminescens synteserne af anisotrope kolloide nanostrukturer med højt kvanteudbytte. Potentialet for at opfylde enhedskravene var udfordrende på grund af materialedesign og monteringskrav.

Outlook

På denne måde viste Jieyuan Cui og kolleger, hvordan orienteringen af ​​overgangsdipolmomenter af perovskitfilm kunne reguleres for at overvinde grænserne for lysudkobling af plane LED'er til dannelse af grønne LED'er med usædvanlig høj ekstern kvanteeffektivitet på op til 23,6 procent. Den kemiske alsidighed af perovskitmaterialerne tillod Cui et al. at udvide den lette tilgang til in situ dyrkede nanopladefilm for at udvikle forskelligt farvede LED'er med høj ekstern kvanteeffektivitet. Værket beskriver en enkel og effektiv metode til at forstå, hvilken rolle de anisotrope optiske egenskaber af nanostrukturer spiller i dannelsen af ​​optoelektroniske enheder. + Udforsk yderligere

Syntetisering af dobbelte perovskit nanokrystaller med lys emission baseret på triplet selvfangede excitoner

© 2021 Science X Network