光学周刊丨黄维、E. H. Sargent等Nature系列、JACS成果精选第2期
纳米人 纳米人 2020-03-26

发光材料已成为人们日常生活中不可缺少的材料,被广泛地用在各种显示、照明、光电探测器和医疗等领域。同时,随着时代的进步,人们对发光材料的发光性能提出了更高的要求。比如,在显示领域,具有高显色指数、广色域、低功耗以及低成本的显示器受到大家的青睐。这也直接导致了新一代显示技术OLED/QLED备受关注,商业化进程不断在提速。

 

近一周以来,最耀眼的颜色属于蓝色!蓝色钙钛矿纳米晶!蓝色钙钛矿LED!

 

《光学材料与器件》周刊对一周内光学材料领域方面的重要进展进行精炼总结,给广大研究者提供第一时间的文献简报(以最少的时间跟踪最前沿的研究动态)。

若您对《光学材料与器件》周刊栏目有任何建议,欢迎留言。对于本期内容有任何疑问或建议,也请留言探讨。

 

1. JACS:氯化物插入固定,蓝光钙钛矿LED更稳、更亮!

光谱稳定性、光谱宽化和器件稳定性是蓝色钙钛矿LED急需解决的问题。鉴于此,近日,多伦多大学Edward H.Sargent等人通过氯化物插入固定的方法实现了具有窄带(线宽18 nm)和光谱稳定(无波长偏移)的蓝色钙钛矿LED。

 

本文要点:

1在溴基钙钛矿的基础上,采用有机氯化物进行动态处理,将氯化物插入并原位固定以使蓝移并稳定光谱。

2天蓝色LED (489 nm)的亮度超过5100 cd / m2,在1500 cd / m2条件下的半衰期为51分钟。

3通过器件结构的优化,479 nm处的EQE提升到了5.2%,在100 cd / m2时的半衰期为90分钟。


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Dongxin Ma, et al. ChlorideInsertion–ImmobilizationEnables Bright, Narrowband, and Stable Blue-Emitting Perovskite Diodes. JACS2020.

DOI:10.1021/jacs.9b12323

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.9b12323

 

2. Chem. Mater.: 苯磺酸盐合成CsPbBrxCl3–x材料用于蓝光二极管

对钙钛矿纳米材料进行简单的界面有机配体修饰是产生接近100 %荧光量子效率的重要方法。因此对有机配体分子的设计是调节钙钛矿纳米材料荧光量子效率的重要因素。有机胺(油胺)、有机酸(油酸)在钙钛矿纳米粒子的合成中是效果比较好的有机分子,但是它们在纳米粒子的清洗和纯化过程中容易被消除。双性配体(zwitterionic ligand)分子用于钙钛矿表面配体,展现了不易消除的效果,经过多次清洗,依然能展现90 %的量子效率。武汉理工大学王涛等人通过加入对甲苯磺酸四丁铵(tetrabutylammoniump-toluenesulfonate, TBSA)双性配体,对合成的钙钛矿纳米晶中的Br和Cl含量进行调控。

 

本文要点:

1选择十二烷基苯磺酸(dodecylbenzenesulfonic acid (DSA))和对甲苯磺酸钠(sodium p-toluenesulfonate(SSA))对钙钛矿进行配体交换研究。发现单独的磺酸根无法实现卤离子的交换,验证了SDSA中的阴、阳离子共同作用是实现卤元素配体交换的重要原因。

2通过TBSA处理作用(钝化作用和磺酸盐的离子化能力),荧光量子效率由7 %提高至81 %。所制备的蓝光PeLED展现2.6%的外量子效率。


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FanghaoYe,et al.Spectral Tuning of Efficient CsPbBrxCl3–x Blue Light-Emitting Diodes viaHalogen Exchange Triggered by Benzenesulfonates. Chem. Mater. 2020.

DOI:10.1021/acs.chemmater.0c00312

https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.chemmater.0c00312

 

3. ACS Energy Letter: 复合阳离子(Cs/Rb/FA/PEA/K)钙钛矿用于高效蓝光二极管LED

虽然绿光/红光钙钛矿LED实现了> 20%的外量子效率,但是蓝光LED的效率依然低下。这是因为蓝光的LED薄膜质量较差(Cl/Br混合钙钛矿薄膜的均一性和连续性较差,有较大的漏电流),并且器件的结构不合理(器件界面处的能级不匹配,蓝光钙钛矿的导带位置更高、价带位置更低)。近日,西安交通大学吴朝新等人通过在钙钛矿薄膜中加入多种阳离子((Cs/Rb/FA/PEA/K)Pb(Cl/Br)3)提高了蓝光LED器件的效率和稳定性。

 

文章要点:

1结合“绝缘体-钙钛矿-绝缘体”结构,基于多阳离子(Cs/ Rb / FA / PEA / K)Pb(Cl / Br)3的PeLED的最大EQE为2.01%,最大亮度为4015 cd / m(484 nm)。

2器件具有优异的稳定性,在连续操作下其半衰期超过300分钟。多重阳离子化策略可以为高性能PeLED的新型蓝色发光材料设计开辟新途径。


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FangYuan, et al. A Cocktail of Multiple Cations in Inorganic Halide Perovskitetoward Efficient and Highly Stable Blue Light-Emitting Diodes. ACS Energy Lett. 2020.

DOI:10.1021/acsenergylett.9b02562

https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsenergylett.9b02562

 

4. AFM: 超快速热力学控制实现稳定高效的CsPbBrxCl3-x 钙钛矿纳米晶

低发光量子产率(PLQY)和光谱不稳定性是蓝光CsPbBrxCl3-xNCs中最具挑战性的问题。快速控制反应热力学对提高结晶度,从而提高PLQY和光谱稳定性至关重要,但迄今为止一直被忽略。近日,西南交通大学WeiqingYang等人通过利用液氮瞬时冻结在高温下形成的CsPbBrxCl3-x NCs,设计了超快热力学控制(UTC)策略。这种UTC策略为合成具有优异晶体质量和超高PLQY的钙钛矿NC提供了新思路,也为解决公认的光谱不稳定性瓶颈提供了很好的参考。

 

本文要点:

1与传统的冰水冷却相比,平均冷却速度提高了33倍。该UTC可以非常迅速地使系统的反应热力学能量低于阈值。因此,可以实现进一步晶体生长的突然终止,这还避免了低温下的额外成核作用。

2CsPbBrxCl3-xNC的绝对PLQY为98%,是迄今为止基于Pb的蓝色钙钛矿中的最高值。


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Chao Luo, et al. UltrafastThermodynamic Control for Stable and Efficient Mixed Halide PerovskiteNanocrystals. AFM 2020.

DOI:10.1002/adfm.202000026

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202000026

 

5. AFM: 二维、三维钙钛矿共层(co-interlayer)材料策略用于绿光LED器件

相比于三维(3D)钙钛矿,准二维(准2D)钙钛矿在发光器件(LED)中具有独特的优势,例如强大的激子结合能和良好的相稳定性。层间配体工程是赋予它们这些特性的关键问题。夹层材料及其处理技术的合理设计原则仍有待研究。近日,华南理工大学苏仕健陈东成等人通过使用苯基丁基溴化铵(PBABr)和丙基溴化铵(PABr)作为配体材料,开发了一种共层工程策略,以提供有效的准2D钙钛矿。

 

本文要点:

1这些共夹层准2D钙钛矿薄膜的制备非常简单且高度可控,无需使用抗溶剂处理。通过调节共中间层组分的比例,可以容易地控制结晶和形态。

2由于激子结合能的优化和陷阱态形成的抑制,钙钛矿薄膜的光致发光量子产率(PLQY)提高到89%。

3基于该策略的准2D钙钛矿LED的电流效率为66.1cd A-1,外部量子效率为15.1%。


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Fanyuan Meng, etal. Co-Interlayer Engineering toward Efficient Green Quasi‐Two‐Dimensional Perovskite Light‐EmittingDiodes. AFM 2020.

DOI:10.1002/adfm.201910167

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adfm.201910167

 

6. Adv.Sci.:最高纯度红光!锡基钙钛矿发光二极管

基于钙钛矿的发光二极管(PeLED)现在正接近外部量子效率(EQE)的上限;然而,由于铅的依赖和色纯度不足,它们的应用目前受到限制。2020年,国际照明委员会(CIE)要求红色发光体的坐标为(0.708,0.292),但目前的钙钛矿器件只能达到(0.71,0.28)。鉴于此,多伦多大学Edward H. SargentZheng‐Hong Lu等人报道了无铅最高色纯度的红光PeLED(0.706,0.294)。

 

本文要点:

1根据温度和施加电势对发射光谱的变化进行了评估,发现在低温下发射红移小于3 nm,在工作电压下红移小于0.3 nm V-1。进一步确定了Sn的主要氧化途径,并借助H3PO2抑制了其氧化。

2该策略通过适度的还原性能以及络合物的形成(增加了对Sn氧化的能量屏障),防止了薄膜氧化。H3PO2还可在成膜过程中促进晶体生长,从而改善膜质量。PeLED的EQE为0.3%,亮度为70 cd m-2。这是报道的无铅红色发光PeLED的最高效率。


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HongyanLiang, et al. High Color Purity Lead‐Free Perovskite Light‐Emitting Diodes via SnStabilization. Advanced Science 2020.

DOI:10.1002/advs.201903213.

https://doi.org/10.1002/advs.201903213

 

7. AM: 二元碱金属阳离子掺杂稳定钙钛矿发光二极管

钙钛矿发光二极管较差的稳定性是限制该技术商用化发展的最大瓶颈。最近,荷兰埃因霍温理工大学Shuxia Tao、香港中文大学Ni Zhao等人研究了基于FAPbI3的钙钛矿发光二极管的失效机制并通过掺杂二元碱金属阳离子提高了其稳定性。

 

本文要点:

1)研究人员使用飞行时间二次离子质谱发现FAPbI3基钙钛矿发光二极管在工作状态下的失效与离子迁移直接相关。通过向FAPbI3中掺杂Cs+、Rb+等二元碱金属阳离子能够显著抑制离子迁移并延长器件的使用寿命。

2) 研究人员通过实验手段与理论计算相结合进一步揭示了二元碱金属离子掺杂的作用机制。两种碱金属离子会固定在钙钛矿薄膜中的不同晶格位置:其中Cs+会均匀地分布在整个体相中而Rb+则更倾向于分布在钙钛矿的表面以及晶界等位点处。

3)研究人员利用化学键分析发现Cs+和Rb+的掺杂会增加I-离子周围的净电荷从而使得阳离子与无机阴离子骨架之间的库伦相互作用增强。所制备的二元Cs+/Rb+掺杂的钙钛矿发光二极管的效率高达15.84%。最为重要的是,这种钙钛矿发光二极管的运行稳定性得到了显著的提高,其半寿命长达3600分钟。


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Nan Li et al,Stabilizing Perovskite Light‐Emitting Diodes by Incorporation of Binary Alkali Cations. AM 2020.

DOI:10.1002/adma.201907786

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.201907786

 

8. 黄维&高峰Nat. Electronics:双功能钙钛矿二极管实现双向光信号传输

允许在两个相同的器件之间进行双向光信号传输在开发小型化和集成化的光电设备中具有重要意义。然而,常规的可溶液处理的半导体具有固有的材料和设计限制,从而阻止了它们用于制备具有高性能的此类器件。近日,瑞典林雪平大学高峰、深圳大学Wenjing Zhang、西北工业大学黄维院士等人报道了一种能够同时在发光和检测模式下工作的钙钛矿二极管。

 

本文要点:

1该器件可以通过改变偏置方向在模式之间进行切换,并且它具有超过21%的EQE和亚皮瓦级的光检测极限。

2该发光二极管在其峰值发光(〜804 nm)处表现出较高和探测率(大于2×1012 Jones),允许在两个相同的二极管之间进行光信号交换。同时发光和光检测的响应速度可以达到MHZ级别。


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Chunxiong Bao,et al. Bidirectional optical signal transmission between twoidentical devices using perovskite diodes. Nature Electronics 2020.

DOI:10.1038/s41928-020-0382-3

http://dx.doi.org/10.1038/s41928-020-0382-3

 

9. 阿尔托大学Nat. Photonics:发光二极管的热光子冷却

当前随处可见的发光二极管(LED)彻底改变了照明行业。然而,与普遍的看法相反,LED不仅仅是简单的电光转换器。LED是固态热力学机器,理论上能够在电能,热能和光能之间进行连续和几乎可逆的能量转换。50多年来,由于对材料质量的高要求以及对发光的商业关注,将LED用作高效的固态冷却器的可能性一直遥不可及。然而,最近通过LED在电致发光冷却方面的诸多进展表明,该领域的其余挑战可能是可以克服的,并且实际的冷却是可行的。阿尔托大学Toufik Sadi等人就此进行了总结概述。

 

本文要点:

1简要概述了在热光子冷却应用中使用电致发光冷却(ELC)的历史,基本原理和潜力,讨论了电致发光冷却的最新成就,概述了预期的前景,尚待解决的挑战及其潜在解决方案。


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Sadi,T., Radevici, I. & Oksanen, J. Thermophotonic cooling with light-emittingdiodes. Nat. Photonics (2020).

DOI:10.1038/s41566-020-0600-6.

https://doi.org/10.1038/s41566-020-0600-6

 

10. ACS Materials Lett.:Ni掺杂CsPbCI3钙钛矿纳米晶的结构性质

金属离子掺杂是改善钙钛矿纳米晶光电作用的一种好方法。但是掺杂作用在钙钛矿纳米晶体结构的影响还不是很明确。近日,沙特阿拉伯国王科技大学Omar F. Mohammed苏州大学孙洪涛等人对Ni2+掺杂CsPbCI3材料的相变进行研究。之所以选择Ni作为掺杂剂,是因为掺杂后的CsPbCI3具有高荧光活性,高稳定性,缺陷位点密度非常低,且Ni本征的荧光作用较弱。因此研究Ni掺杂的CsPbCI3能够比较好的理解晶体结构变化情况。

 

本文要点:

1掺杂导致增强的荧光作用归因于2Ni-CsPbCI3的晶体质量较高,含有的Cl缺陷浓度较低。

2Ni2+掺杂产生了两种微晶结构(立方相、正交相)共存的结构,并且这种多晶没有空穴缺陷,掺杂后的组分结构对温度变化反应非常弱,能缓解立方相向正交相的转变。


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Ju-PingMa, et al. Doping Induces Structural Phase Transitions in All-Inorganic LeadHalide Perovskite Nanocrystals. ACSMaterials Lett. 2020.

DOI:10.1021/acsmaterialslett.0c00059

https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsmaterialslett.0c00059

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