Caractérisations structurales des films de nanoplaquettes de pérovskite. (A) Une image de microscopie électronique à transmission à balayage en coupe transversale à champ noir annulaire à angle élevé (STEM-HAADF) montrant la couche de pérovskite continue et sans trou d'épingle. TPBi, 2,2',2"-(1,3,5-benzinetriyl)tris(1-phényl-1H-benzimidazole); PVK, poly(9-vinylcarbazole). (B) Une image STEM-HAADF agrandie montrant la structure fine d'une nanoplaquette de pérovskite. Encart :le modèle de transformée de Fourier rapide (FFT) correspondant. (C) Une image typique de microscopie électronique à transmission haute résolution (HRTEM) des nanoplaquettes de pérovskite dispersées sur une grille de cuivre. En médaillon :le modèle FFT correspondant. (D) Diagramme statistique de la distribution de taille des nanoplaquettes mesurée par HRTEM. La taille moyenne est de 25,8 nm et le SD correspondant est de 6,8 nm. L'ajustement gaussien est fourni comme guide pour l'œil. (E) Modèle de diffusion des rayons X grand angle à incidence rasante. Les taches de diffraction proviennent des faces cristallines des nanoplaquettes. Les deux taches de diffraction à qz =1,065 et qy =1,070 Å−1 correspondent respectivement à {001} et {010} de β-CsPbBr3. Crédit :Progrès scientifiques , 10.1126/sciadv.abg8458
Les diodes électroluminescentes (DEL) pérovskites planaires sont des dispositifs d'électroluminescence performants et économiques, idéaux pour les applications d'affichage et d'éclairage à grande surface. En explorant les couches d'émission avec des rapports élevés de moments dipolaires de transition horizontaux (TDM), les chercheurs peuvent augmenter le découplage des photons des LED planaires. Les LED à base de pérovskite anisotrope sont inefficaces en raison des défis de régulation des orientations des TDM ainsi que des difficultés d'atteindre des rendements quantiques de photoluminescence élevés, y compris les défis de réaliser l'équilibre de charge dans les films de nanostructures assemblées. Dans ce travail, Jieyuan Cui et une équipe de recherche en chimie, science des matériaux et optique en Chine, ont montré une électroluminescence efficace émanant d'un film de pérovskite in situ constitué d'une monocouche de nanoplaquettes. L'équipe a obtenu des LED avec une efficacité quantique externe maximale (EQE) de 23,6 % pour représenter des LED de pérovskite planaires très efficaces.
Moments dipolaires de transition et pérovskites aux halogénures métalliques
Les caractéristiques d'émission de photons dans les semi-conducteurs sont basées sur les moments dipolaires de transition. Les molécules d'un matériau peuvent atteindre un état excité ou non excité par l'absorption et l'émission de lumière, où les règles du moment dipolaire de transition et de la mécanique quantique peuvent aider à prédire si la transition vers un état excité est probable. Les nanoplaquettes et les nanorods qui comprennent des moments dipolaires de transition optique dans les matériaux sont hautement anisotropes et leur relation structure-propriété est intéressante pour les diodes électroluminescentes (LED) planaires. Généralement, les moments dipolaires de transition sont orientés horizontalement pour le couplage léger et ceux qui sont orientés verticalement contribuent à la perte d'énergie. Les pérovskites aux halogénures métalliques sont une autre classe émergente de semi-conducteurs traités en solution avec des propriétés intéressantes, notamment des rendements quantiques de photoluminescence élevés et des longueurs d'onde d'émission accordables. Dans ce rapport, Cui et al. décrit des LED efficaces basées sur des films de pérovskite cultivés in situ pour montrer des rapports élevés de moments dipolaires de transition horizontaux et des rendements quantiques de photoluminescence élevés.
Propriétés optiques des films de nanoplaquettes de pérovskite. (A) Spectres d'absorption et PL (excités par un laser à 405 nm). a.u., unités arbitraires. (B) PLQY dépendant de l'intensité d'excitation. Les barres d'erreur représentent les incertitudes expérimentales dans les mesures PLQY à 0,4 mW/cm2 et les erreurs dans la détermination des intensités PL relatives et de la puissance d'excitation. Crédit :Progrès scientifiques , 10.1126/sciadv.abg8458
Caractérisation structurale des nanoplaquettes
Le dispositif contenait une couche de pérovskite analysée par microscopie électronique à transmission à balayage corrigée des aberrations (STEM). L'équipe a déposé le film de pérovskite à partir d'une solution précurseur contenant plusieurs composés, dont du bromure de lithium, du bromure de césium et du bromure de plomb dissous dans du diméthylsulfoxyde (DMSO). Par la suite, en utilisant des images à fond noir annulaire à angle élevé (HAADF), Cui et al ont observé un film de pérovskite lisse. À l'aide d'études de zoom avant, ils ont noté des colonnes d'atomes bien résolues avec des nanoplaquettes de pérovskite hautement cristallines. Par la suite, à l'aide de la microscopie à force atomique, ils ont déterminé la rugosité du matériau et compris la taille des cristaux ou des nanoplaquettes de pérovskite à l'aide de la microscopie électronique à transmission à haute résolution.
Orientations des TDM des films de nanoplaquettes de pérovskite. (A) Mesures PL dépendantes de l'angle du film de pérovskite sur un substrat de quartz/TFB/PVK. Les données expérimentales (carrés gris) sont ajustées par le modèle dipôle électromagnétique classique (ligne rouge), donnant un rapport TDM horizontal de 84 ± 4 %. (B) Image du plan focal arrière (BFP) d'un film de pérovskite. (C) coupe de ligne polarisée p (ligne grise) le long de la ligne pointillée dans l'image BFP (B). Cette coupe de ligne est équipée d'un rapport TDM horizontal de 87 % (ligne continue rouge). Crédit :Progrès scientifiques , 10.1126/sciadv.abg8458
Analyses optiques du film nanoplaquettaire
L'équipe a influencé les propriétés électroniques et optiques du film de pérovskite en utilisant l'effet de confinement quantique, puis a quantifié l'orientation des moments dipolaires de transition du film de pérovskite. Par la suite, Cui et al. analysé l'émission de lumière du film de pérovskite à l'aide de la spectroscopie à plan focal noir (BFP). Pour ce faire, ils ont sondé une petite région du film de nanoplaquettes de pérovskite avec un laser pour la photoexcitation. Les données ont indiqué une excellente uniformité spatiale de l'orientation horizontale des moments dipolaires de transition dans le film. L'équipe a ensuite utilisé les données BFP de quatre spots de différentes régions pour montrer une excellente uniformité spatiale des orientations des moments dipolaires de transition horizontale dans les films. En raison de la concentration des cations ammonium organiques volumineux et de la présence de bromure de lithium dans la solution précurseur, le film de nanoplaquettes de pérovskite s'oriente avec des rendements quantiques de photoluminescence élevés. En doublant la concentration des cations ammonium organiques volumineux, Cui et al. ont formé des films de pérovskite avec de forts pics d'absorption excitonique et ont attribué l'orientation horizontale des nanoplaquettes sur les substrats plats aux interactions de Van der Waals.
Caractérisation des LED de pérovskite fonctionnant à température ambiante
Sur la base d'autres expériences, l'équipe a montré comment l'introduction de bromure de lithium (LiBr) dans la solution de précurseur améliorait les propriétés quantiques de photoluminescence du film. De plus, le spectre d'électroluminescence du film de nanoplaquettes de pérovskite indiquait des émissions vertes ultrapures et la morphologie sans trou d'épingle du film de nanoplaquettes permettait une fuite de courant négligeable. Lorsqu'ils ont effectué des simulations optiques sur les matériaux en utilisant le modèle dipôle classique développé pour les microcavités planes, les résultats ont indiqué une efficacité de découplage élevée de 31,1 % pour les dispositifs à pérovskite en fonction de l'orientation du film de nanoplaquettes. Alors que les travaux antérieurs visaient à contrôler les orientations des moments dipolaires de transition en se concentrant sur l'assemblage de nanostructures colloïdales anisotropes, l'électroluminescence à haut rendement nécessitait la synthèse de nanostructures colloïdales anisotropes à haut rendement quantique. La possibilité de répondre aux exigences de l'appareil était difficile en raison de la conception des matériaux et des exigences d'assemblage.
Caractérisations de dispositifs des LED vertes basées sur les films de nanoplaquettes de pérovskite. (A) spectre EL. En médaillon :Photographie d'une LED verte en fonctionnement (surface effective :3,24 mm2). (B) La distribution angulaire de l'intensité EL suit le profil lambertien. (C) Caractéristiques de densité de courant-luminance-tension d'un appareil typique. (D) Relation EQE-tension de l'appareil avec un champion EQE de 23,6 %. (E) Histogramme des EQE de pointe de 36 appareils. Les ajustements gaussiens sont fournis comme un guide pour l'œil. (F) Tracé de contour des résultats de simulation du dispositif EQE en fonction de PLQY et Θ de la couche émissive de pérovskite. La structure de l'appareil illustrée en (A) est utilisée pour la simulation. Les indices de réfraction des multicouches sont obtenus par ellipsomètre. Pour notre film de nanoplaquettes de pérovskite avec un PLQY d'environ 75 % et un Θ de 84 %, la simulation optique prédit un EQE maximal d'environ 23,3 %. Crédit :Progrès scientifiques , 10.1126/sciadv.abg8458
Perspectives
De cette façon, Jieyuan Cui et ses collègues ont montré comment l'orientation des moments dipolaires de transition des films de pérovskite pouvait être régulée pour surmonter les limites de découplage de la lumière des LED planaires pour former des LED vertes avec une efficacité quantique externe exceptionnellement élevée pouvant atteindre 23,6 %. La polyvalence chimique des matériaux pérovskites a permis à Cui et al. pour étendre l'approche facile aux films de nanoplaquettes cultivés in situ pour développer des LED de couleurs différentes avec une efficacité quantique externe élevée. Le travail décrit une méthode simple et efficace pour comprendre le rôle des propriétés optiques anisotropes des nanostructures dans la formation de dispositifs optoélectroniques.
© 2021 Réseau Science X Synthétiser des nanocristaux de pérovskite double à émission brillante à base d'excitons auto-piégés triplet
