有机联苯液晶分子对于准2D钙钛矿结构及相应的发光二极管器件性能的影响

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近年来,准二维(2D)钙钛矿多晶薄膜因具有传统三维(3D)钙钛矿材料的优势,即可溶液法制备、带隙可调、色纯度高、缺陷容忍度高和光致发光量子产率(PLQY)高等特点,同时钙钛矿表面被疏水性的有机胺间隔体层保护,能够有效阻挡水氧侵蚀,提升了所制备薄膜的稳定性,这些优势使准2D钙钛矿薄膜在发光二极管领域受到广泛关注。同时,准2D钙钛矿薄膜呈现多相结构,其特有的能量漏斗效应能够促进能量高效传输。此外,准2D钙钛矿薄膜还存在介电限制效应和量子限域效应,能够实现激子结合能(Eb)的调控,使得载流子辐射复合率上升。在准2D钙钛矿薄膜中,有机胺间隔体的选择将直接影响薄膜的性能,已有大量有机胺间隔体应用于构建准2D钙钛矿薄膜及其LED器件,并取得不错的进展。然而,到目前为止,大部分有机间隔体为绝缘性质的单氨基分子,其的引入会在一定程度上阻碍载流子传输,影响载流子的辐射复合发光,且难以保证钙钛矿晶体结构的稳定性,而劣化钙钛矿LED器件的发光效率和工作稳定性,及严重制约其实现商业化应用。有鉴于此,本论文将功能性有机胺间隔体:含π-共轭基团的联苯乙胺(BPEA)和含多个氨基的二乙烯三胺(DETA)引入到3D钙钛矿晶格中,构建准2D钙钛矿薄膜,调控准2D钙钛矿薄膜的相组成和相分布。在此基础上,制备性能优异且具有高稳定性的准2D钙钛矿薄膜LED器件。主要工作如下:首先,本文将BPEA作为有机胺间隔体引入到3D钙钛矿晶体结构中,构建准2D钙钛矿多晶薄膜。研究表明,相较于辛胺(OA)和苯乙胺(PEA)有机胺间隔体构建的准2D钙钛矿薄膜,BPEA有机胺间隔体的引入能够有效抑制薄膜中低n相的形成,促进能量快速且高效地转移至3D相,有利于激子辐射复合发光。同时,BPEA的引入还能够有效钝化薄膜缺陷,提升薄膜的发光性能。以此为基础,本文制作了准2D钙钛矿LED器件,结果表明,基于BPEA的LED器件外量子效率(EQE)达到10.08%,发光强度为3002.16 cd m-2,显著优于基于OA的器件(2.34%,211.68 cd m-2)和PEA的器件(8.21%,1957.98 cd m-2)。此外,BPEA器件的工作稳定性也较OA和PEA器件有明显提升。其次,在以BPEA为有机胺间隔体的准2D钙钛矿薄膜的基础上,将多胺基分子二乙烯三胺(DETA)作为第二种有机胺间隔体引入到准2D钙钛矿薄膜中。研究表明,DETA的引入能够进一步调控准2D钙钛矿薄膜的相组成,使低n相集中于n=2和n=3的2D钙钛矿相,有效抑制n=1有害相的形成,进一步促进能量高效传输。基于此,本文以基于BPEA和DETA两种有机胺间隔体的准2D钙钛矿薄膜为发光层,制备了钙钛矿LED器件,所制作器件的EQE达到13.43%,发光强度为5866.82 cd m-2,且工作稳定性也明显提高。本论文为设计开发新型功能性有机胺间隔体,构建高质量稳定准2D钙钛矿薄膜,实现高效稳定准二维钙钛矿LED提供了新思路。
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