DOI: https://doi.org/10.1038/s41377-024-01704-x
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39762233
تاريخ النشر: 2025-01-06
المؤلف: Zhenyun Du وآخرون
الموضوع الرئيسي: مواد البيروفسكايت وتطبيقاتها
نظرة عامة
في هذه الدراسة، يتناول المؤلفون التحديات التي تواجه نقاط الكم البيروفيسكيت (PQDs) في ثنائيات الباعث للضوء في نطاق الأشعة تحت الحمراء القريبة (NIR)، وخاصة الكفاءة الكمية الخارجية المنخفضة المنسوبة إلى آليات الإطفاء على سطح PQD. تحدد الأبحاث أن فقدان الرابطة وهجرة الأيونات تخلق مراكز إطفاء تؤدي إلى إعادة التركيب المعتمدة على الفخ وفقدان الحاملات. للتخفيف من هذه المشكلات، يقترح المؤلفون معالجة كيميائية باستخدام ثيوسيانات الفوراميدين (FASCN)، وهو عامل سائل ثنائي الأسنان يرتبط بفعالية بسطح PQD، مما يقلل من فقدان الرابطة ومواقع الإطفاء بين الواجهات.
تظهر الأفلام المعالجة بـ FASCN زيادة بمقدار أربعة أضعاف في طاقة الربط مقارنة بالرابطة الأصلية، واستخدام الروابط القصيرة (مع سلاسل كربونية أقل من 3) يؤدي إلى زيادة بمقدار ثمانية أضعاف في الموصلية. تسهل هذه الموصلية المحسنة نقل الشحنات بكفاءة، مما يمكّن ثنائيات الباعث للضوء NIR-LEDs من تحقيق جهد تشغيل منخفض قياسي يبلغ 1.6 فولت عند طول موجي قدره 776 نانومتر. ومن الجدير بالذكر أن الكفاءة الكمية الخارجية (EQE) للثنائيات المعالجة تصل إلى حوالي 23%، وهو ما يعادل ضعف تلك الخاصة بالتحكم ويمثل أعلى EQE تم الإبلاغ عنه حتى الآن لثنائيات الباعث للضوء NIR-LEDs المعتمدة على PQD.
مقدمة
في هذه الدراسة، يستكشف المؤلفون إمكانيات نقاط الكم البيروفيسكيت المعدنية الهاليد (PQDs) كعناصر باعثة لثنائيات الباعث للضوء في نطاق الأشعة تحت الحمراء القريبة (NIR-LEDs). بينما أظهرت PQDs كفاءات كمية خارجية (EQE) تتجاوز 20% في الطيف المرئي (400-700 نانومتر)، إلا أن أدائها في منطقة NIR-I (>750 نانومتر) لا يزال دون المستوى الأمثل، ويرجع ذلك أساسًا إلى مواقع الفخ السطحية والواجهات. تنشأ هذه الفخاخ من الرصاص غير المنسق (Pb²⁺) أثناء التخليق والازدحام الفراغي الناتج عن الروابط الطويلة، مما يمنع التغطية الكاملة للسطح.
لمعالجة هذه التحديات، يقترح المؤلفون استخدام ثيوسيانات الفوراميدين (FASCN)، وهو رابطة ثنائية الأسنان بسلسلة كربونية قصيرة تضمن تغطية سطحية عالية ورابطة قوية بين الرابطة والسطح. يشكل FASCN روابط منسقة من خلال ذرات الكبريت والنيتروجين، مما يظهر طاقة ربط أعلى بكثير مقارنة بالروابط الزيتية. تؤدي هذه التعديلات إلى تحسين الموصلية (3.95 × 10⁻⁷ S m⁻¹، أعلى بثمانية أضعاف من التحكم) وطاقة ربط الإثارة تبلغ 76.3 ميلي إلكترون فولت، وهو ما يقارب ضعف تلك الخاصة بالأفلام التحكم. وبالتالي، حققت NIR-LEDs المعتمدة على PQD المعالجة بـ FASCN EQE قدره 23%، مما يمثل تحسينًا بمقدار الضعف مقارنة بالأجهزة التحكم ويضع معيارًا جديدًا لأداء NIR-LED المعتمد على PQD.
طرق
في هذا القسم، يوضح المؤلفون المواد والأساليب المستخدمة في أبحاثهم. تشمل المواد الأساسية المستخدمة يوديد الرصاص (II) (PbI₂)، أسيتات الفوراميدين، أوليامين، حمض الأوليك، 1-أوكتاديكيني، أسيتات الميثيل، وأوكتان، جميعها مأخوذة من موردين موثوقين مثل سيغما-ألدريتش وألفا أيسر. بالإضافة إلى ذلك، تم الحصول على محلول PEDOT:PSS، وpoly-TPD، وPO-T2T من شركة Xi’an Polymer Light Technology Corp. ومن الجدير بالذكر أن جميع المواد الكيميائية استخدمت كما هي دون مزيد من التنقية، مما يضمن سلامة ظروف التجربة.
تؤكد هذه المقاربة المنهجية لاختيار المواد على التركيز على الكواشف عالية النقاء، وهو أمر حاسم لإمكانية تكرار وموثوقية النتائج التجريبية. تشير اختيار هذه المواد المحددة إلى تحقيق تحقيق مستهدف في تفاعلاتها وتطبيقاتها في سياق أهداف الدراسة.
نتائج
تظهر النتائج أن الكفاءة المنخفضة لثنائيات الباعث للضوء NIR-LEDs المعتمدة على PQD ترجع أساسًا إلى كثافة الفخ العالية وانخفاض حركة الحاملات في نقاط الكم (QDs). تسلط الدراسة الضوء على فعالية معالجة FASCN في تعزيز أداء نقاط الكم الهجينة العضوية وغير العضوية FAPbI$_3$ QDs. تكشف حسابات نظرية الكثافة الوظيفية (DFT) أن طاقة الربط لـ FASCN (-0.91 eV) أعلى بكثير من تلك الخاصة بالروابط التقليدية، مما يشير إلى قدرتها الفائقة على تمرير مواقع الفخ السطحية. أدت هذه المعالجة إلى تحسين ملحوظ في عائد الفوتولومينسنس (PLQY) وطاقة ربط الإثارة، مما يشير إلى تقليل تفكك الإثارة وتعزيز ديناميات حاملات الشحن.
أكدت التحقيقات الإضافية باستخدام الفوتولومينسنس المعتمد على درجة الحرارة وطيف الامتصاص العابر أن نقاط الكم المعالجة بـ FASCN أظهرت استقرارًا حراريًا ورطوبيًا محسنًا، بالإضافة إلى انخفاض كثافة الفخ (2.95 × 10$^{-17}$ سم$^{-3}$)، وهو ما يقل بمقدار ثلاثة أضعاف عن تلك الخاصة بالأفلام التحكم. أظهرت NIR-LEDs المعالجة بـ FASCN جهد تشغيل منخفض قدره 1.6 فولت وحققت كفاءة كمية خارجية (EQE) قصوى قدرها 22.86%، وهو ما يعادل تقريبًا ضعف تلك الخاصة بالأجهزة التحكم. أشارت اختبارات الاستقرار إلى نصف عمر (T$_{50}$) قدره 115 دقيقة للثنائيات المعالجة بـ FASCN، مما يبرز متانتها المحسنة في الظروف المحيطة. بشكل عام، تؤكد النتائج على إمكانيات معالجة FASCN في تعزيز أداء واستقرار NIR-LEDs المعتمدة على PQD.
مناقشة
في هذه الدراسة، قدمنا عامل سائل ثنائي الأسنان، FASCN، الذي يعزز التغطية السطحية ورابطة الرابطة-السطح على نقاط الكم (QDs)، مما يسهل تصنيع أفلام PQD خالية من الفخ. أدت هذه المقاربة المبتكرة إلى أفلام تظهر موصلية محسنة، واستقرار، وطاقة ربط إثارة. ومن الجدير بالذكر أننا حققنا ثنائيات الباعث للضوء في نطاق الأشعة تحت الحمراء القريبة (NIR-LEDs) المعتمدة على نقاط الكم البيروفيسكيت التي تبعث عند 776 نانومتر مع كفاءة كمية خارجية (EQE) تبلغ حوالي 23%، وهو تحسين كبير مقارنة بالأجهزة التحكم وأعلى ما تم الإبلاغ عنه لهذا النوع من NIR-LEDs.
شمل تخليق نقاط الكم FAPbI₃ عملية تنقية من خطوتين، باستخدام أسيتات الميثيل ومن ثم FASCN لتحسين جودة نقاط الكم. تم توصيف نقاط الكم من خلال تقنيات متنوعة، بما في ذلك امتصاص UV-vis، والفوتولومينسنس، والتشتت بالأشعة السينية، مما يؤكد خصائصها الهيكلية والبصرية. تبعت عملية تصنيع NIR-LEDs عملية دقيقة تشمل إعداد الركيزة، وترسيب الطبقات، والتغليف، مما يضمن الأداء الأمثل تحت ظروف بيئية محكومة. تسهم هذه الأبحاث في تقديم رؤى قيمة حول تطوير NIR-LEDs المعتمدة على PQD عالية الأداء، مما يمهد الطريق للتقدم في التطبيقات البصرية الإلكترونية.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41377-024-01704-x
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39762233
Publication Date: 2025-01-06
Author(s): Zhenyun Du et al.
Primary Topic: Perovskite Materials and Applications
Overview
In this study, the authors address the challenges faced by perovskite quantum dots (PQDs) in near-infrared (NIR) light-emitting diodes (LEDs), particularly the low external quantum efficiency attributed to quenching mechanisms at the PQD surface. The research identifies that ligand loss and ion migration create quenching centers that lead to trap-assisted recombination and carrier loss. To mitigate these issues, the authors propose a chemical treatment using Formamidine thiocyanate (FASCN), a bidentate liquid agent that effectively binds to the PQD surface, thereby reducing ligand loss and interfacial quenching sites.
The FASCN-treated films demonstrate a fourfold increase in binding energy compared to the original oleate ligands, and the use of short ligands (with carbon chains less than 3) results in an eightfold increase in conductivity. This enhanced conductivity facilitates efficient charge transport, enabling the NIR-LEDs to achieve a record-low operating voltage of 1.6 V at a wavelength of 776 nm. Notably, the external quantum efficiency (EQE) of the treated LEDs reaches approximately 23%, which is double that of the control and represents the highest EQE reported for PQD-based NIR-LEDs to date.
Introduction
In this study, the authors investigate the potential of metal-halide perovskite quantum dots (PQDs) as emitters for near-infrared light-emitting diodes (NIR-LEDs). While PQDs have demonstrated external quantum efficiencies (EQE) exceeding 20% in the visible spectrum (400-700 nm), their performance in the NIR-I region (>750 nm) remains suboptimal, primarily due to surface and interfacial trap sites. These traps arise from uncoordinated lead (Pb²⁺) during synthesis and the steric hindrance caused by long oleate ligands, which prevent complete surface coverage.
To address these challenges, the authors propose using Formamidine thiocyanate (FASCN), a bidentate ligand with a short carbon chain that ensures high surface coverage and strong ligand-surface binding. FASCN forms coordinate bonds through its sulfur and nitrogen atoms, exhibiting significantly higher binding energy compared to oleate ligands. This modification leads to improved conductivity (3.95 × 10⁻⁷ S m⁻¹, eightfold higher than controls) and an exciton binding energy of 76.3 meV, nearly double that of control films. Consequently, the FASCN-treated PQD-based NIR-LEDs achieved an EQE of 23%, marking a twofold improvement over control devices and setting a new benchmark for PQD-based NIR-LED performance.
Methods
In this section, the authors detail the materials and methods employed in their research. The primary materials utilized include Lead (II) iodide (PbI₂), Formamidine acetate, Oleylamine, Oleic acid, 1-Octadecene, Methyl acetate, and Octane, all sourced from reputable suppliers such as Sigma-Aldrich and Alfa Aesar. Additionally, PEDOT:PSS solution, poly-TPD, and PO-T2T were obtained from Xi’an Polymer Light Technology Corp. Notably, all chemicals were used as received without further purification, ensuring the integrity of the experimental conditions.
This systematic approach to material selection underscores the focus on high-purity reagents, which is critical for the reproducibility and reliability of the experimental outcomes. The choice of these specific materials suggests a targeted investigation into their interactions and applications in the context of the study’s objectives.
Results
The results demonstrate that the inferior efficiency of PQD-based near-infrared light-emitting diodes (NIR-LEDs) is primarily due to high trap density and low carrier mobility in quantum dots (QDs). The study highlights the effectiveness of FASCN treatment in enhancing the performance of organic-inorganic hybrid FAPbI$_3$ QDs. Density functional theory (DFT) calculations reveal that the binding energy of FASCN (-0.91 eV) is significantly higher than that of traditional ligands, indicating its superior ability to passivate surface trap sites. This treatment led to a marked improvement in photoluminescence quantum yield (PLQY) and exciton binding energy, suggesting reduced exciton dissociation and enhanced charge carrier dynamics.
Further investigations using temperature-dependent photoluminescence and transient absorption spectroscopy confirmed that FASCN-treated QDs exhibited improved thermal and humidity stability, as well as reduced trap density (2.95 × 10$^{-17}$ cm$^{-3}$), which is threefold lower than that of control films. The FASCN-treated NIR-LEDs demonstrated a low turn-on voltage of 1.6 V and achieved a peak external quantum efficiency (EQE) of 22.86%, nearly double that of the control devices. The stability tests indicated a half-life (T$_{50}$) of 115 minutes for the FASCN-treated LEDs, showcasing their enhanced durability in ambient conditions. Overall, the findings underscore the potential of FASCN treatment in advancing the performance and stability of PQD-based NIR-LEDs.
Discussion
In this study, we introduced a bidentate liquid agent, FASCN, which enhances surface coverage and ligand-surface binding on quantum dots (QDs), facilitating the fabrication of trap-free perovskite QD films. This innovative approach resulted in films exhibiting improved conductivity, stability, and exciton binding energy. Notably, we achieved near-infrared light-emitting diodes (NIR-LEDs) based on perovskite QDs emitting at 776 nm with an external quantum efficiency (EQE) of approximately 23%, a significant improvement over control devices and the highest reported for this type of NIR-LEDs.
The synthesis of FAPbI₃ QDs involved a two-step purification process, utilizing methyl acetate and subsequently FASCN to enhance the quality of the QDs. The QDs were characterized through various techniques, including UV-vis absorption, photoluminescence, and X-ray diffraction, confirming their structural and optical properties. The fabrication of the NIR-LEDs followed a meticulous process involving substrate preparation, layer deposition, and encapsulation, ensuring optimal performance under controlled environmental conditions. This research contributes valuable insights into the development of high-performance PQD-based NIR-LEDs, paving the way for advancements in optoelectronic applications.