武汉光电国家研究中心王磊郭闰达团队基于有机插层策略实现高效率全蒸镀钙钛矿发光二极管

 

　　近日，武汉光电国家研究中心王磊教授、郭闰达副教授团队联合南京工业大学王建浦教授团队，在Nature Photonics发表了题为“Organic intercalation strategy for efficient all-evaporated perovskite light-emitting diodes”的研究论文。研究团队提出一种钙钛矿前驱体顺序沉积结合有机功能插层的新策略(SDOI)，通过引入多功能有机分子盐酸苯乙双胍(PFCl)添加剂，实现对钙钛矿结晶过程的有效调控，成功制备出高质量的全蒸镀钙钛矿薄膜。基于SDOI策略制备的全蒸镀天蓝光PeLEDs获得20.12%的最大外量子效率(EQE)和23704 cdm⁻²的最大亮度，器件在较大工作电压范围内表现出良好的光谱稳定性，基于该策略构筑的全蒸镀PeLEDs实现了TFT驱动的有源显示屏成像(图1)。
 

　　武汉光电国家研究中心为论文第一完成单位。彭陈程博士、何致远博士、张飞虎博士研究生、王娜娜教授为论文第一作者，王磊教授、郭闰达副教授和王建浦教授为共同通讯作者。其他主要合作者包括华中科技大学陈犇博士研究生、陈敬东博士研究生和何茜平硕士研究生，南京工业大学徐双博士研究生和朱威博士研究生。该研究获得国家重点研发计划、湖北省自然科学基金创新群体及湖北省科技厅重点项目的资助。
 

　　研究团队利用扫描透射电子显微镜(STEM)研究了采用SDOI策略生长的钙钛矿发光薄膜与对照组钙钛矿薄膜的结构差异，证实SDOI策略引入的有机插层分子能够促进形成高度有序的低维钙钛矿结构。对照组薄膜则呈不规则形貌，而采用SDOI策略生长的钙钛矿薄膜则会形成规则、均匀的高质量晶粒。球差校正STEM(AC-STEM)进一步证实SDOI策略能够形成高度均一化的钙钛矿晶粒，对照组薄膜则呈现出无序度较高的结晶特征。此外，通过电子背散射衍射极图测试表明采用SDOI策略的钙钛矿薄膜沿{100}晶向呈现出高度取向的排布特征。
 

　　研究团队通过综合多种光谱技术分析，阐明采用SDOI策略对钙钛矿薄膜发光动力学调控机制。稳态吸收光谱显示，采用SDOI策略的钙钛矿薄膜呈现出多个特征吸收峰(n=2、n=3和n≥4的低维钙钛矿相)，温度依赖PL光谱也验证了低维钙钛矿形成(低温条件下440 nm和462 nm特征发光峰)。进一步采用瞬态吸收(TA)光谱分析发现，与对照组薄膜相比，采用SDOI策略的钙钛矿薄膜在433 nm、453 nm和485 nm 处出现三处明显的基态漂白信号，分别对应n=2、n=3和n≥4的钙钛矿相。这与溶液法制备的多量子阱钙钛矿体系中的情况类似，会发生低n相向高n相的高效能量转移过程，通过提高辐射复合速率实现对非辐射复合能量损耗的抑制。
 

　　在全蒸镀PeLEDs器件制备过程中，有机功能分子PFCl发挥了多重作用。在钙钛矿前驱体材料顺序沉积过程中，PFCl层起到物理阻隔Cs与Pb前驱体的直接接触，避免前驱体材料发生过快、无序的结晶反应，延缓结晶生长过程；在退火过程中，PF⁺作为有机间隔阳离子嵌入晶格，能够诱导形成具有高度结晶取向的低维钙钛矿结构，并且富电子的C=N基团与缺电子的NH3+基团可分别与钙钛矿晶格中未配位Pb、卤素缺陷结合，实现高效、多重的缺陷钝化作用，并显著提升离子迁移活化能，抑制卤素离子迁移，提升器件工作稳定性。
 

　　该研究提出了一种顺序沉积钙钛矿前驱体结合有机多功能插层分子的高质量钙钛矿薄膜制备策略，通过钙钛矿结构表征、光学特性分析等，验证了该策略对降低缺陷态密度、调控钙钛矿结晶动力学过程及载流子复合路径的有效性，最终实现了高效率、高亮度的天蓝光电致发光器件，同时检验了该策略在绿光器件上的普适性。此外，该研究成功地将全蒸镀PeLEDs集成到TFT驱动的有源显示面板，实现了清晰的图像显示和流畅的视频播放，充分展示出该策略在新型显示技术领域的应用潜力，为热蒸镀技术制备高性能钙钛矿光电器件提供了重要参考。未来，将该策略与大面积蒸镀制备钙钛矿发光器件和三基色全彩有源驱动技术结合，有望加速推动热蒸镀PeLEDs技术的产业化应用落地。