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本研究使用設備
光焱科技

·         LQ-50X-高速/高靈敏電致發光效率測試系統

研究背景

近年來，鈣鈦礦材料因其優異的光電性能在太陽能電池、發光二極管、光電探測器等領域備受矚目。PeLED 作為新型顯示技術，憑借其色純度高、發射波長可調、制備成本低等優勢，被認為是下一代顯示技術的理想選擇。要實現全彩顯示，需要紅、綠、藍三基色 PeLED 的協同發展。其中，純紅光 (630-640 nm) 發射對于滿足 Rec. 2020 超高清電視標準至關重要。

目前，實現純紅光 PeLED 的主要策略包括混合鹵素鈣鈦礦和低維純碘基鈣鈦礦。然而，混合鹵素鈣鈦礦存在光譜不穩定問題，而低維鈣鈦礦的器件性能仍落后于預期。制約 PeLED 性能提升的一大瓶頸是鈣鈦礦材料中普遍存在的鹵素空位缺陷。這些缺陷會導致非輻射復合，嚴重影響器件的效率和穩定性。

研究方法

1.      超小分子鈍化劑：尺寸效應助力強鈍化
為了解決鹵素空位缺陷問題，研究人員開發了各種鈍化策略。傳統的鈍化劑通常是大尺寸分子，但由于空間位阻較大，難以有效接近缺陷位點，鈍化效果有限。游經碧和張興旺團隊另辟蹊徑，提出了利用超小尺寸分子進行鈍化的策略。

該研究利用 DFT 計算預測，超小尺寸的甲酸根 (Fa) 和乙酸根 (Ac) 離子與鈣鈦礦的結合更強，因此具有更有效的鈍化能力。計算結果顯示，Fa 和 Ac 與鉛原子在碘空位處的結合能分別為 -0.495 eV 和 -0.345 eV，明顯高于其他大尺寸鈍化劑，例如苯甲酸 (-0.292 eV) 和棕櫚油酰二乙醇酰胺 (-0.075 eV)。結合能越高，代表鈍化劑與缺陷位點的結合越強，鈍化效果越好。

此外，Bader 電荷分析表明，Fa 和 Ac 分別向鈣鈦礦表面轉移了 0.526 和 0.295 個電子，這種電荷轉移促進了鈍化劑在缺陷位點的吸附，進一步增強了鈍化效果。FTIR 測量結果也證實，Ac- 和 Fa- 中的 C=O 基團可以與 Pb2+ 位點形成強相互作用。

2.      埋底界面和體相鈍化：雙重策略抑制非輻射復合
研究人員將 CsFa 和 CsAc 引入到 PeLED 的埋底界面，發現這些超小尺寸分子可以擴散到鈣鈦礦層中，從而實現埋底界面和體相的雙重鈍化。

原子力顯微鏡 (AFM) 圖像顯示，添加 CsFa 和 CsAc 后，空穴傳輸層的表面粗糙度顯著降低，變得更加平整致密，有利于鈣鈦礦薄膜的生長。SEM 圖像也顯示，CsFa 和 CsAc 的添加可以促進鈣鈦礦薄膜形成更大、更均勻的晶粒，從而減少晶界處的缺陷密度。

X 射線光電子能譜 (XPS) 測量表明，CsFa 處理后的鈣鈦礦薄膜中 Pb-I 鍵更短更強，晶格結構更加穩定。這表明 CsFa 不僅鈍化了缺陷，還改善了鈣鈦礦薄膜的結晶質量。

研究結果與討論_性能提升：效率和穩定性雙雙突破
基于 CsFa 鈍化的 PeLED 在 639 nm 處實現了 24.2% 的峰值 EQE，最大亮度達到 800 cd/m2，CIE 色坐標為 (0.701, 0.299)，非常接近 Rec. 2020 標準的理想紅色色坐標 (0.708, 0.292)。相比之下，未經鈍化的器件峰值 EQE 僅為 17.0%，最大亮度為 750 cd/m2。這些關鍵性能參數的測量均借助光焱科技 LQ-50X PeLED 量子效率測試系統完成，該系統能夠提供精確的電流-電壓-亮度 (J-V-L) 特性、光譜、色度和量子效率等數據，為器件性能評估提供了可靠依據。

瞬態光致發光 (TRPL) 和 PLQY 測試結果表明，CsFa 鈍化有效地抑制了非輻射復合，延長了載流子壽命，從而提高了器件效率。熱導納譜 (TAS) 測量進一步證實，CsFa 處理后的鈣鈦礦薄膜具有低缺陷態密度。

CsFa 鈍化還顯著提高了器件的穩定性。在 100 cd/m2 的初始亮度下，CsFa 處理后的 PeLED 的工作壽命 (T50) 是未處理器件的 6 倍多。這得益于 CsFa 鈍化降低了缺陷密度，抑制了缺陷相關的降解，并改善了空穴傳輸層與鈣鈦礦層之間的界面接觸，減少了熱效應。光焱科技 LQ-50X PeLED 量子效率測試系統具備的長時間穩定性測試功能為評估器件壽命提供了便利，其內置的恒流/恒壓驅動模式和光強控制功能可以模擬各種實際工作條件，為深入了解器件的長期穩定性提供了有力工具。

結論與展望

這項研究表明，超小尺寸分子鈍化劑能夠有效鈍化鈣鈦礦中的鹵素空位缺陷，提高 PeLED 的效率和穩定性。CsFa 鈍化策略為制備高性能 PeLED 提供了新思路，并為鈣鈦礦光電器件的進一步發展奠定了基礎。

未來，可以通過進一步優化器件結構、開發新型鈍化劑等手段，進一步提升 PeLED 的性能，推動其在顯示領域的應用。光焱科技 LQ-50X PeLED 量子效率測試系統憑借其高精度、寬動態范圍和多功能性，將繼續在 PeLED 研究中發揮重要作用，助力科研人員深入理解器件物理機制，開發更高效、更穩定的 PeLED 器件。
 
本文參數圖:

原文出處: SCIENCE ADVANCES 3 May 2024 Vol 10, Issue 18 DOI: 10.1126/sciadv.adn5683

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