DOI: https://doi.org/10.1038/s41566-023-01351-5
تاريخ النشر: 2024-01-05
المؤلف: Fanglong Yuan وآخرون
الموضوع الرئيسي: مواد البيروفسكايت وتطبيقاتها
نظرة عامة
في هذه الدراسة، نقدم تطوير ثنائيات الباعث الضوئي (LEDs) ذات الطول الموجي الطويل القابلة للإضاءة العالية والثابتة باستخدام يوديد القصدير السيزيوم (CsSnI₃) الخالي من الرصاص. تم استخدام نهج جديد للتحكم بدقة في كثافة التوصيل p الداخلية وتقليل كثافة الفخاخ من خلال إبطاء عملية التبلور لـ CsSnI₃. لم تحقق ثنائيات الباعث الضوئي NIR ذات الطول الموجي الطويل الناتجة إشعاعًا عاليًا فحسب، بل أظهرت أيضًا استقرارًا استثنائيًا، متجاوزةً عمر ثنائيات الباعث الضوئي NIR ذات الطول الموجي الطويل الحالية المصنوعة من مواد ناعمة بديلة بأكثر من مرتبة واحدة.
تتناول هذه الأبحاث بشكل فعال التحديات الكبيرة المتعلقة بانخفاض الإشعاع وسوء الاستقرار التشغيلي في ثنائيات الباعث الضوئي NIR ذات الطول الموجي الطويل، مما يمثل تقدمًا كبيرًا نحو تطبيقاتها العملية. علاوة على ذلك، فإن المنهجيات المطورة لإدارة كثافات التوصيل p وكثافات الفخاخ قابلة للتطبيق على تصميم مواد أخرى ذات انبعاث عالٍ وثابت لتطبيقات الإضاءة، بما في ذلك الليزر الذي يتم ضخه كهربائيًا.
نقاش
في هذا القسم، يناقش المؤلفون تصنيع وأداء ثنائيات الباعث الضوئي (LEDs) القائمة على CsSnI\(_3\) ذات الطول الموجي القريب من الأشعة تحت الحمراء (NIR) مع التركيز على هيكل الجهاز، والاستقرار، والخصائص البصرية. تظهر ثنائيات الباعث الضوئي N-S-CsSnI\(_3\) ذروة انبعاث عند 948 نانومتر مع عرض كامل عند نصف الحد الأقصى (FWHM) يبلغ 71 نانومتر، محققةً إشعاعًا أقصى قدره 226 واط sr\(^{-1}\) m\(^{-2}\) وعمر نصف (T\(_{50}\)) يبلغ 39.5 ساعة عند 100 مللي أمبير سم\(^{-2}\). يتجاوز هذا الأداء أداء ثنائيات الباعث الضوئي NIR الأخرى، بما في ذلك تلك القائمة على المواد العضوية ونقاط الكم القائمة على الرصاص، مما يبرز فعالية استراتيجية دمج NPTU/SnF\(_2\) في تعزيز استقرار وكفاءة الجهاز.
يحقق المؤلفون أيضًا في عملية تبلور أفلام CsSnI\(_3\)، كاشفين أن إضافة NPTU وSnF\(_2\) تبطئ من التبلور، مما يؤدي إلى تحسين جودة الفيلم وتقليل كثافات الفخاخ. تؤدي هذه النموذجية المنضبطة إلى معدل إعادة تركيب أوغر أقل مقارنةً بالبيروفسكيتات القائمة على الرصاص، وهو ما يفيد خصائص انبعاث الضوء. تشير النتائج إلى أن خاصية التوصيل p الداخلية لـ CsSnI\(_3\) تعزز العائد الكمي للضوء الفوتوني (PLQY) من خلال إعادة تركيب إشعاعي فعال. بشكل عام، تقدم الدراسة تقدمًا كبيرًا في تطوير ثنائيات الباعث الضوئي NIR عالية الأداء والثابتة، مما يمهد الطريق لتطبيقات مستقبلية في تقنيات الإضاءة.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41566-023-01351-5
Publication Date: 2024-01-05
Author(s): Fanglong Yuan et al.
Primary Topic: Perovskite Materials and Applications
Overview
In this study, we present the development of highly bright and stable long-wavelength near-infrared (NIR) light-emitting diodes (LEDs) utilizing all-inorganic, lead-free cesium tin iodide (CsSnI₃). A novel approach was employed to precisely control the intrinsic p-doping density and minimize trap density by slowing down the crystallization process of CsSnI₃. The resulting long-wavelength NIR LEDs not only achieved high radiance but also demonstrated exceptional stability, exceeding the longevity of existing long-wavelength NIR LEDs made from alternative soft materials by over an order of magnitude.
This research effectively addresses significant challenges related to low radiance and poor operational stability in long-wavelength NIR LEDs, marking a substantial advancement toward their practical applications. Furthermore, the methodologies developed for managing p-doping and trap densities are applicable to the design of other highly emissive and stable materials for light-emitting applications, including electrically pumped lasers.
Discussion
In this section, the authors discuss the fabrication and performance of CsSnI\(_3\)-based near-infrared (NIR) light-emitting diodes (LEDs) with a focus on their device architecture, stability, and optical properties. The N-S-CsSnI\(_3\) LEDs exhibit a peak emission at 948 nm with a full width at half maximum (FWHM) of 71 nm, achieving a maximum radiance of 226 W sr\(^{-1}\) m\(^{-2}\) and a half-lifetime (T\(_{50}\)) of 39.5 hours at 100 mA cm\(^{-2}\). This performance surpasses that of other NIR LEDs, including those based on organic materials and lead-based quantum dots, highlighting the effectiveness of the NPTU/SnF\(_2\) incorporation strategy in enhancing device stability and efficiency.
The authors further investigate the crystallization process of CsSnI\(_3\) films, revealing that the addition of NPTU and SnF\(_2\) slows down crystallization, leading to improved film quality and reduced trap densities. This controlled growth results in a lower Auger recombination rate compared to lead-based perovskites, which is beneficial for light emission properties. The findings suggest that the intrinsic p-doping characteristic of CsSnI\(_3\) enhances photoluminescence quantum yield (PLQY) through effective radiative recombination. Overall, the study presents a significant advancement in the development of high-performance, stable NIR LEDs, paving the way for future applications in light-emitting technologies.