今日Nature:多齿配体处理实现混合卤化物钙钛矿LEDs的带隙稳定性工程

CYM 3年前 (2021-03-04) 4102浏览

【引言】

金属卤化铅钙钛矿作为一种很有前途的发光半导体，带隙可以通过几种方法来调节，例如在纳米晶和二维钙钛矿中的量子限制，或者通过改变ABX₃钙钛矿化学计量中的卤化物组成，其中A是有机铵或碱金属阳离子，B是14组金属阳离子（通常是铅），X₃是卤化阴离子。使用碘化物和溴化物离子的混合物，在接近统一的光致发光量子产率（PLQY）的情况下，可以获得红色发射在615nm到640nm之间的纳米晶。然而，这些纳米晶体在光激发和电偏置的应用上都容易受到卤化物偏析的影响。尽管付出了很多努力，但混合卤化物钙钛矿纳米晶的颜色稳定电致红色发光尚未实现。最近的研究表明，卤化物偏析是通过空位和间隙缺陷的扩散而发生的。在通过实验测量的混合卤化物钙钛矿薄膜和通过计算研究的纯碘化物系统中，卤化物缺陷似乎会迁移到晶界或晶体表面。对于多晶薄膜，通过用碱金属卤化物或较大的有机铵阳离子钝化晶界，提高了带隙稳定性和器件效率。对于纳米晶体，由于纳米晶的高比表面积和体积比，界面钝化尤其重要。

鉴于此，英国牛津大学Henry J. Snaith和Yasser Hassan，美国俄勒冈州立大学Cathy Y. Wong以及韩国釜山大学Bo Ram Lee（共同通讯作者）报告了使用多齿配体处理混合卤化物钙钛矿纳米晶体和配体来抑制电致发光操作下的卤化物偏析。具体来讲，作者采用一种改进的配体辅助再沉淀方法合成了MAPb(I_xBr_1-x)₃纳米晶（其中MA是甲基铵）。纯化后，再使用配体乙二胺四乙酸（EDTA）和还原的L-谷胱甘肽处理纳米晶体。研究表明，本文展示了颜色稳定的红色发射，中心波长为620 nm，电致发光量子效率为20.3％，配体处理的关键功能是通过去除铅原子来“清洁”纳米晶体表面。密度泛函理论计算表明，配体与纳米晶体表面之间的结合抑制了碘弗仑克尔缺陷的形成，进而抑制了卤化物的偏析。同时，本文的工作例证了金属卤化物钙钛矿的功能性如何对（纳米）晶体表面的性质极为敏感，并提出了控制表面缺陷形成和迁移的途径。这对于实现发光的带隙稳定性至关重要，并且对需要带隙稳定性的其他光电应用（例如光伏）也可能产生更广泛的影响。相关研究成果以“Ligand-engineered bandgap stability in mixed-halide perovskite LEDs”为题发表在Nature上。