A fémhalogenid perovszkit nanokristályok kiváló optoelektronikai tulajdonságaiknak köszönhetően ideális jelöltanyaggá váltak a kijelzőtechnológiában. A hagyományos ligandumok (például az olajsav/oleil-amin) gyenge koordinációja és hosszú szénláncú szerkezete azonban súlyos felületi hibákhoz és korlátozott töltéshordozó-transzporthoz vezet, ami korlátozza a perovszkit fénykibocsátó diódák (PeLED) teljesítményének javítását. A probléma megoldása érdekében a Xiamen Egyetem Anyagtudományi és Mérnöki Karának munkatársa, Rongjun Xie vezette kutatócsoport egy „"Citrate Ligand Improves Luminous Efficiency of Green Perovskite Light-Emitting Diodes"” című kutatási cikket publikált a *Journal of Luminescence* folyóiratban. A kutatócsoport kifejlesztett egy rövid szénláncú, erősen kelátképző citromsav (CA) ligandumot, amely többszörös koordinációs kötéseket és hidrogénkötéseket képez a nanokristály felületével karbonsavcsoportján (-COOH) és hidroxilcsoportján (-OH) keresztül, hatékony passziválást érve el a CsPbBr3 nanokristályok felületi hibáiban. Az ezen stratégián alapuló zöld perovszkit fénykibocsátó dióda 13,58%-os külső kvantumhatásfokot (EQE) ért el, ami egy alacsony költségű és hatékony új megoldást kínál a perovszkit felületmanipulációjára.
Ligand kölcsönhatási mechanizmus
A kutatócsoport innovatív módon citromsavat választott ligandumként, és egy szintetikus ligandcsere-folyamattal juttatta be a CsPbBr3 perovszkit nanokristály rendszerbe. Többfogú kelátképző ligandumként a citromsav karbonsav- és hidroxilcsoportjai stabilan kötődhetnek a CsPbBr3 felülethez a kétfogú koordináció és a hidrogénkötés kettős kölcsönhatásán keresztül. A sűrűségfunkcionál-elméleti (DFT) számítások azt mutatták, hogy a citromsav ligand adszorpciós energiája elérte a -0,39 eV-ot, ami jelentősen magasabb, mint az olajsav/oleilamin ligand -0,26 eV-ja, termodinamikailag demonstrálva erősebb felületi kötődési képességét. A Fourier-transzformációs infravörös spektroszkópia és a röntgen-fotoelektron spektroszkópia tovább igazolta a koordinációs kötések és hidrogénkötések kialakulását, ezáltal hatékony passziválást érve el a perovszkit nanokristályok felületi hibáiban.
1. ábra: A CsPbBr3 nanokristályok és a felületi ligandumok közötti kölcsönhatási mechanizmus
A nanokristály optikai tulajdonságainak többszörös optimalizálása
A citromsavligandumokkal történő módosítás átfogóan javítja a CsPbBr3 perovszkit nanokristályok morfológiáját és optikai tulajdonságait. Morfológiailag a módosított CsPbBr3 nanokristályok megőrzik tipikus köbös fázisukat, egyenletesebb átlagos mérettel és jelentősen jobb méreteloszlás-koncentrációval, ami szerkezeti alapot teremt a fokozott optikai teljesítményhez.
Optikai teljesítmény tekintetében a módosított nanokristályok kiváló tulajdonságokkal rendelkeznek. Emissziós csúcsuk 513 nm-nél stabilizálódik, a félértékszélesség (FWHM) 19,7 nm-re szűkül; a fotolumineszcencia kvantumhatásfoka (PLQY) jelentősen, 67,1%-ról 95,5%-ra nő, a nem sugárzó rekombinációs sebesség pedig 68,5 μs−1-ről 5,4 μs−1-re csökken, ami jelentős hibapassziválást mutat. Eközben a citromsav ligandum javította az anyag termikus stabilitását is. Még 100 °C-on is a nanokristályok magas kezdeti fluoreszcencia-intenzitást tartottak fenn, és az excitonkötési energia 145,3 meV-ra nőtt. Ez a fokozott excitonkötési hatás biztosította, hogy a rendszer magas hőmérsékleti körülmények között is fenntartsa az exciton dominálta rekombinációs útvonalat, így szinergikus javulást érve el a termikus stabilitásban és a lumineszcencia-hatékonyságban.
2. ábra: CsPbBr3 nanokristályok morfológiája és optikai tulajdonságai
A zöld perovszkit fénykibocsátó dióda hatékonysága jelentősen javult
Citromsavval módosított CsPbBr3 nanokristályok alapján a kutatócsoport egy zöld perovszkit fénykibocsátó diódát épített ITO/NiOx/Poly−TPD/CsPbBr3/TPBi/LiF/Al szerkezettel, ami jelentősen javította az eszköz elektrolumineszcencia teljesítményét. Az eszköz 517 nm-en elektrolumineszcencia csúcsot és (0,099, 0,755) CIE színkoordinátákat mutat, ami messze meghaladja a Nemzeti Televíziós Rendszerek Bizottsága (NTSC) színskála zöld fény szabványát, kiváló színtisztaságot mutatva. A csúcsfényerő 1208 cd/m²-re nőtt, a csúcs külső kvantumhatásfok (EQE) pedig elérte a 13,58%-ot, ami 2,9-szerese a hagyományos rendszerekhez képest. A csúcsáram-hatásfok is 42,93 cd/A-ra javult. Ez a teljesítményjavulás a hibák felületi ligandum-tervezéssel történő hatékony passziválásának, a hordozórekombinációs útvonalak modulációjának és transzportegyensúlyuk optimalizálásának tulajdonítható.
