崔林松，中國科學技術大學特任研究員。2017年畢業於日本九州大學，獲博士學位。2018年至2021年在英國劍橋大學物理系卡文迪許實驗室進行博士後研究。2021年加入中國科學技術大學高分子系，任特任研究員。崔林松研究員至今發表高水平SCI論文40餘篇，以第一作者和通訊作者身份發表包括Nature，Nature Photonics、Nature Materials、Nature Electronics、Advanced Materials、Angewandte Chemie International Edition、Nature Communications等多篇學術頂刊，以第一發明人申請/授權專利十餘項。目前主要的研究方向包括有機發光顯示材料與器件、鈣鈦礦發光器件、分子激發態性質等。
2023年3月15日，中國科學技術大學崔林松教授課題組與劍橋大學Neil C. Greenham教授團隊合作，設計開發新型多功能分子穩定劑實現了兼具高亮度、高效率和高穩定性的近紅外鈣鈦礦LED，解決了該領域重要難題。相關研究成果以《Bright and stable perovskite light-emitting diodes in the near-infrared range》為題，線上發表在Nature雜誌上。
近日，崔林松教授課題組與劍橋大學的Samuel D. Stranks教授合作，研究成果登上《Nature Photonics》，下面就讓小編帶大家一起拜讀一下大佬們的最新研究成果。
低維鈣鈦礦的高效藍色電致發光
鈣鈦礦發光二極體（LED）因其出色的發光特性和低成本，在下一代顯示器中大有可為。儘管在綠色和紅色發光器件方面取得了重大進展，但高效藍色鈣鈦礦發光二極體的開發卻相對滯後。
在這裡，中科大崔林松教授課題組與劍橋大學的Samuel D. Stranks教授合作展示了基於二維-三維混合鈣鈦礦和多功能離子新增劑的高效藍色鈣鈦礦 LED，這種新增劑能夠控制還原維相、非輻射重組通道和光譜穩定性。作者報告了一系列從溴/氯混合準三維區域發出高效電致發光的器件，其外部量子效率高達 21.4%（亮度為 22 cd m-2，發射峰值為 483 nm）、13.2%（亮度為 2.0 cd m-2，發射峰值為 474 nm）和 7.3%（亮度為 6 cd m-2，發射峰值為 464 nm）。與對照 LED 相比，器件的工作穩定性提高了近 30 倍，在初始亮度為 100 cd m -2 時，半衰期為 129 分鐘。此研究結果表明，藍色鈣鈦礦發光二極體的效能接近最先進的藍色有機發光二極體和無機量子點發光二極體，併為設計多功能分子以提高鈣鈦礦光電器件的效能提供了一種新方法。相關成果以“Efficient blue electroluminescence from reduced-dimensional perovskites”為題發表在《Nature Photonics》上，第一作者為Shuai Yuan，Linjie Dai為共同一作。
作者製作的藍色鈣鈦礦發光二極體，其器件結構如下： 玻璃/銦錫氧化物（ITO；150 nm）/聚（9-乙烯基咔唑）（PVK；10 nm）/聚乙烯吡咯烷酮（PVP）/鈣鈦礦（20 nm）/2,2′,2″-（1,3,5-苯並三腈）-三（1-苯基-1-H-苯並咪唑）（TPBi；50 nm）/8-羥基喹啉鋰（Liq；2 nm）/Al（100 nm）（圖 1a）。發射層由低維鈣鈦礦組成，由混合陽離子和混合鹵化物前驅體溶液透過一步旋塗工藝製備而成，p-FPEABr 用於控制維度，PPNCl 作為表面鈍化和相重構新增劑。研究發現，器件的效能與前驅體混合物中 PPNCl 新增劑的濃度密切相關，最佳濃度為 4 wt% PPNCl。新增劑濃度越高，亮度和 EQE 大幅下低，同時由於器件電阻上升，電流密度也大大降低低。圖 1e-i 顯示了含有 4 wt% PPNCl 的藍色鈣鈦礦 LED 的效能特徵，該器件是迄今為止效能最好的藍色鈣鈦礦發光二極體，接近最先進的藍色有機發光二極體和無機量子點發光二極體。
圖1：鈣鈦礦LED器件結構及效能
為了揭示導致含 PPNCl 的 LED 效能提高的根本機制，作者採用了一系列光譜和結構表徵技術。結果表明 PPNCl 有效地抑制了小 n 相的形成，並使薄膜成分轉向能量更接近的高 n 相。這一趨勢也反映在光致發光（PL）發射光譜中，對照和 2 wt% 的 PPNCl 薄膜在 425 和 450 奈米波長處分別顯示出 n = 2 和 n = 3 相的較短波長髮射（圖 2b）。
圖 2：PPNCl 對鈣鈦礦相和晶體質量的影響
為了進一步瞭解鈣鈦礦薄膜中激發態的動態，作者進行了超快瞬態吸收（TA）光譜測量。圖 3a-h 顯示了含有不同量 PPNCl 的鈣鈦礦在 400 奈米（3.10 eV）光激發後記錄的 TA 光譜。在所有這些樣品中，在 405 nm (3.06 eV)、435 nm (2.85 eV) 和 460 nm (2.70 eV) 處觀察到三個明顯的基態漂白（GSB）特徵。這些訊號歸因於 n = 2、n = 3 和 n ≥ 4 的鈣鈦礦相，與各自的穩態吸收帶一致。圖 3i-k 顯示了相應的衰減動力學。與穩態和結構分析結果一致，在不含 PPNCl 的對照樣品中，n = 2 相佔據主導地位，而隨著 PPNCl 含量的增加，準三維 n ≥ 4 相變得更加突出。
圖3：藍色鈣鈦礦薄膜的TA測量
為了專門研究含有和不含 PPNCl 的鈦礦中發射物種的重組動力學，作者使用 450 nm 的激發光源，以確保類似的光子產生的載流子密度。這種泵浦光子能量小於 n = 2 和 n = 3 相的帶隙，但高於 n ≥ 4 相的帶隙，從而避免了能量轉移的影響。如圖 4a 所示，PPNCl 處理過的藍色鈣鈦礦的平均輻射壽命（11.0 ns）長於對照藍色鈣鈦礦（5.8 ns），這表明 PPNCl 處理過的鈣鈦礦的非輻射重組損耗有所降低。這些優點使得最佳鈣鈦礦的 PLQE 最大值超過了 88%，與對照鈣鈦礦薄膜（67%）相比提高了 1.3 倍以上。
為了更深入地瞭解 PPNCl 新增劑在調節鈣鈦礦相形成和發射特性方面的作用，作者研究了它與尺寸控制 p-FPEABr 之間的相互作用。採用核磁共振（NMR）光譜法研究了 PPNCl 與鈣鈦礦前驅體溶液中其他成分之間的相互作用。在 1H NMR 中，加入 PPNCl 會導致對-FPEABr 的銨質子發生下移，而所有其他訊號幾乎保持不變（圖 4c）。這種去遮蔽現象表明 p-FPEA+ 離子與 [PPN]+ 的氮孤對之間形成了微弱的氫鍵。
圖4：PPNCl對藍色鈣鈦礦的調節作用
小結
總之，本文開發出一種方法，能夠實現高效、穩定的藍色還原維鈦礦發光二極體，其最大 EQE 為 21.4%，接近最先進的藍色有機發光二極體和無機量子點發光二極體。該方法的重點是使用多功能離子新增劑重構還原維鈣鈦礦，該新增劑透過支援高發射率大 n 型鈣鈦礦相的主要形成來改善鈣鈦礦薄膜的組成，並減少缺陷輔助非輻射重組損耗。核磁共振、XPS 和傅立葉變換紅外光譜測量證實，由於分子間氫鍵相互作用，PPNCl 可以削弱大型有機間隔物對鈣鈦礦生長的阻礙作用。此外，PPNCl 還可以作為一種表面和體鈍化劑，抑制鈣鈦礦薄膜中的非輻射重組通道。因此，從所產生的鈣鈦礦薄膜中實現了高效穩定的藍色鈣鈦礦 LED，是迄今為止所報道的最高效、最穩定的藍色鈣鈦礦 LED 之一。
來源：高分子科學前沿
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