Nature Communications

刊发ODTI团队Ce基卤化物高效深蓝光电致发光器件的研究

导读

2024年7月24日，Nature Communications在线刊发了华中科技大学唐江教授领衔的光电子器件与三维集成团队（ODTI）题为《Efficient deep-blue electroluminescence from Ce-based metal halide》的研究论文。论文第一作者为杨龙波博士生和杜海南博士，通讯作者为罗家俊教授和唐江教授。论文第一单位为华中科技大学。

研究背景

显示屏是人机交互的最基本设备，为了实现高质量显示，高效稳定的电致蓝光技术是科研界和产业界亟待攻破的重点和难点，具有极大科研与应用价值。金属卤化物钙钛矿材料，由于其成本低廉、制备简单和光学性能优异，在下一代显示应用中具有极大的前景。然而，蓝色发光二极管（LED）的发展，尤其是符合REC. 2020标准的深蓝色LED，远远落后于绿色和红色LED。因此，开发高效率、高色纯度、高稳定性、低成本的新型蓝色发光卤化物材料势在必行。

具有宇称允许的d-f跃迁镧系离子(Ce³⁺、Eu²⁺)色纯度优异、辐射复合速率快、光转换效率高，是制备电致蓝光器件的理想材料。然而，其局域化的4f轨道受外层电子轨道屏蔽，载流子注入效率低。早期研究主要采用交流电驱动的薄膜电致发光器件，利用电子碰撞离化激发掺杂在发光层中的稀土离子。该策略往往需要高电压来加速电子，这导致高工作电压(> 100 V)和低外量子效率(< 1%)。

研究内容及结果

团队发现Ce(Ⅲ)基金属卤化物Cs3CeI6中的能量转移过程可以有效避免载流子直接注入过程中外层电子轨道的屏蔽效应，并通过进一步优化能量转移过程，实现了高效的电致蓝光器件。在原理探索上，团队通过基态和激发态下X射线光电子能谱探究了电荷转移过程，证明了激发态下的自限域激子（STE）和Ce基Frenkel激子（CFE）的形成。并进一步通过时间分辨的光致发光谱和瞬态吸收谱研究了从STE到CFE的能量转移动力学过程。在器件制备过程中，团队通过在蒸发过程中加入过量的CsI，增加了STE和CFE之间的光谱重叠面积，提高了能量转移效率。在此基础上，团队制备了基于Cs3CeI6的稀土基发光二极管，其最大亮度和外量子效率(EQE)分别达到了1075 cd m^-2和7.9%，这是迄今为止金属卤化物深蓝光发光二极管的最高效率。这一工作有助于构建镧系卤化物的电致发光模型，充分展现了其在电致蓝光方面的应用潜力。

图1. Cs₃CeI₆的发光模型 (a) Cs₃CeI₆的晶体结构。(b) STE形成和能量转移过程示意图。(c) Cs₃CeI₆能带结构及两种激子示意图。(d) Cs₃CeI₆晶体在4.2 k下的CFE、STE和总发射光谱。(e) Cs₃CeI₆中 I-3d_5/2在基态和激发态下的X射线光电子能谱。(f) Cs₃CeI₆中Ce-3d_3/2和Ce-3d_5/2在基态和激发态下的X射线光电子能谱。

图2.Cs₃CeI₆能量转移的动力学过程及优化。(a) 双源共蒸Cs₃CeI₆薄膜。(b-c) Cs₃CeI₆的瞬态吸收光谱。(d) Cs₃CeI₆对照样和富Cs样的发光和激发光谱。(e) Cs₃CeI₆对照样和富Cs样的总发光光谱和STE发射谱图。(f) Cs₃CeI₆对照样和富Cs样中CFE的激发光谱和STE的发射光谱及其重叠面积。

图3. 深蓝光电致发光器件性能。(a) Cs₃CeI₆基稀土发光二极管的器件结构。(b) Cs₃CeI₆基稀土发光二极管的能级结构图。(c) Cs₃CeI₆对照样和富Cs样器件的电流密度-电压-亮度曲线。(d) Cs₃CeI₆对照样和富Cs样的外量子效率-亮度曲线。(e) Cs₃CeI₆电致发光器件的CIE坐标图。(h) Cs₃CeI₆对照样和富Cs样的器件稳定性。

致谢

该研究得到了国家自然科学基金，国家重点研发计划，湖北省重点研发计划，中央高校基本科研业务费，光谷实验室创新项目资助。感谢华中科技大学现代分析测试中心、微纳制造工艺平台( CNCD )和光学与电子信息学院仪器共享平台的设备支持。感谢中国科学院上海光学精密机械研究所的光谱表征支持。

论文链接

https://doi.org/10.1038/s41467-024-50508-5