中国科大在纯红光钙钛矿电致发光二极管取得新进展

基于球差电镜分析（林岳教授合作），该工作首次观察到未经过亚稳相结晶制备的CsPbI_3-xBr_x薄膜晶粒内部存在着大量面缺陷，并且是沿着（100）和（010）方向广泛存在于晶粒内部并形成迷宫状的限域纳米区域（图2D）。进一步球差电镜分析表明在面缺陷边缘卤化铯层呈岩盐石结构堆积，从而形成Ruddlesden-Popper（RP）型面缺陷（图2G），这是由于CsPbI_3-xBr_x钙钛矿薄膜在结晶过程中卤素离子不均匀分布产生晶格应力从而导致的晶格错位搭接。同样地，在没有精细调控结晶过程的一步法退火(OSC)制备的钙钛矿膜内也存在RP型面缺陷（图2E, H）。然而，对于经过亚稳相结晶调控的CsPbI_3-xBr_x薄膜，其内部不存在这种RP型面缺陷，因此亚稳相结晶过程可以有效促进体系中卤素离子的均匀分布，降低钙钛矿结晶过程中的晶格应力，从而避免了CsPbI3-xBrx薄膜在结晶过程中产生RP型面缺陷（图2F, I）。

图3. Ruddlesden-Popper (RP)型面缺陷对于钙钛矿带隙以及光电性质的影响。(A) 具有二维RP缺陷限域的NPS膜的晶格模型。(B,C) NPS (B)以及MPC (C)膜的态密度计算。(D-F) NPS (D), OSC (E)和MPC (F)薄膜的瞬态吸收等高线图。(G) 稳态荧光光谱。（H,I）单电子(H)和单空穴(I)的电流电压曲线。

第一性原理态密度分析（张国桢副研究员合作）表明相对于无RP型面缺陷的钙钛矿薄膜，晶格内部的RP型面缺陷会在钙钛矿价带边形成独立的缺陷态（图3A-C）。并且随着晶粒内部的一维RP缺陷变成二维RP缺陷，钙钛矿的带隙会增大超过0.3 eV，这是由于RP型缺陷限域的区域小于CsPbI_3-xBr_x激子波尔半径导致的。瞬态吸收光谱测试（张群教授合作）表明NPS膜的基态漂白峰相对于OSC和MPC膜表现出超过30 nm的蓝移和大的拓宽，这是由于在NPS和OSC膜内部存在着二维RP缺陷限域的复合带隙（图3D, E）。作为对比，MPC膜表现出最窄的基态漂白峰，这是由于其晶粒内无RP型缺陷限域的原因（图3F）。由于在MPC膜内部无RP型面缺陷，所以MPC膜表现出较高荧光量子产率、高发光色纯度以及低载流子缺陷态（图3G-I）。

图4.基于CsPbI_3-xBr_x薄膜的电致发光器件性能评估

通过对比不同退火方式制备的CsPbI_3-xBr_x薄膜的PeLED器件性能，该工作发现RP型面缺陷会制约器件的效率、亮度以及稳定性。在消除CsPbI_3-xBr_x膜内部的RP缺陷之后，纯红光PeLED器件的最大外量子效率和亮度分别达到了17.8%和9000 cdm-2（图4 A-C）。同时RP型面缺陷的有效消除也提升了卤素离子迁移的能垒，进而提升了器件的光谱稳定性（图4D-E）。

我校化学与材料科学学院应用化学系博士生宋永慧与访问学者葛晶讲师为该论文的共同第一作者。该工作得到了国家自然科学基金、中国科学技术大学、合肥微尺度物质科学国家研究中心以及合肥同步辐射国家实验室的支持。

文章链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abq2321