基于界面修饰的钙钛矿发光二极管研究

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钙钛矿发光二极管(Perovskite light-emitting diodes,Pe LEDs)凭借可调谐光色发射、极窄发光半峰宽、制备工艺简单等特点引起了科研工作者们的极大关注。Pe LEDs的优异性能离不开高质量的钙钛矿薄膜,而钙钛矿属于离子晶体,其薄膜质量的好坏取决于晶体生长的优劣程度。由于钙钛矿晶体需要生长在衬底上,对衬底的优化显得越发重要。另外,钙钛矿薄膜表面通常存在离子空位或未配位离子等点缺陷,这些点缺陷会形成深能级缺陷态进而捕获载流子复合后形成的激子,导致非辐射复合比例增加,成为制约发光器件性能进一步提升的关键。因此,本论文工作基于双钝化策略,对钙钛矿的下界面与上界面进行修饰,研究了修饰前后薄膜与器件性质的变化。论文的第一部分,对掺杂精氨酸前后的PEDOT:PSS 4083(简称4083)溶液与薄膜性质进行表征分析。研究发现,碱性精氨酸的引入使4083溶液p H值从1.6上升到5.3,溶液由强酸性转变为弱酸性,有效减轻了旋涂过程中ITO的被腐蚀程度。同时,由于精氨酸分子中N原子孤对电子的存在,能与4083中的PSS发生路易斯酸碱反应,使得聚苯乙烯磺酸(PSSH)脱质子化变为PSS-并与精氨酸中的阳离子通过库伦引力结合,从而减少了游离态PSSH的含量。此外,研究发现修饰前后4083薄膜成膜性与光学性质没有发生明显变化。论文的第二部分,研究不同衬底对钙钛矿薄膜性质与发光器件性能的影响。首先探究了钙钛矿薄膜的成膜质量与结晶情况,发现4083掺杂精氨酸衬底被钙钛矿前驱体溶液润湿程度最高,获得的钙钛矿薄膜结晶性最好。接着,本文对钙钛矿薄膜的荧光特性进行表征分析,发现生长在4083掺杂精氨酸衬底上的钙钛矿光致发光(PL)强度最高,PL提升的原因可能是:(1)低维钙钛矿相组分的增多导致介电限域效应增强,抑制激子解离,促进激子复合发光;(2)钙钛矿结晶性改善,薄膜缺陷减少,辐射复合比例增加;(3)铟离子缺陷复合中心减少,降低了激子猝灭概率。随后,研究发现PSS与钙钛矿组分中的胺盐存在相互作用,给钙钛矿的结晶与低维相形成带来不利影响,而精氨酸对衬底的修饰能削弱这一影响。最后,基于4083掺杂精氨酸衬底获得的Pe LEDs器件最大发光亮度为14375 cd m-2,比标件提升0.5倍;最大外量子效率为4.7%,是标件的2.8倍。论文的最后一部分,在第二部分研究基础上通过对钙钛矿薄膜进行表面修饰获得了性能良好的钙钛矿发光二极管,器件电流效率为31.8 cd A-1,EQE为7.7%,是未修饰器件的1.75倍。表面修饰对钙钛矿的形貌与结晶没有影响,器件性能的提升主要得益于激子结合能的增大与Pb2+和Pb单质两种缺陷态的减少所带来的钙钛矿薄膜光致发光强度的提高。
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