Группа ученых из Китайского университета науки и технологий (USTC) Китайской академии наук (CAS) решила ключевую проблему в области перовскитных светодиодов, излучающих чисто-красный свет (PeLED). В ходе исследования, результаты которого были опубликованы в журнале Nature, удалось обнаружить и устранить основную причину снижения КПД при высокой яркости. Обновленная архитектура материала позволяет выйти на пиковые показатели внешней квантовой эффективности (EQE – 24,2%) и яркости (24600 кд/м2). Это самые яркие из известных перовскитных светодиодов, которые излучают чисто-красный свет.

В течение длительного времени при разработке светодиодов, являющихся важными компонентами дисплеев и систем освещения, приходилось искать компромисс между эффективностью и яркостью. Хотя трехмерные перовскиты на основе смешанных галогенидов (такие, как CsPbI3-xBrx) обладают превосходными транспортными характеристиками, их эффективность существенно снижается при высоких плотностях тока из-за нерешенной проблемы утечки носителей.

С помощью собственного диагностического метода (спектроскопии переходного поглощения с электрическим возбуждением – EETA) команда под руководством профессоров Yao Hongbin, Fan Fengjia, Lin Yue и Hu Wei исследовала динамику носителей заряда в процессе работы устройств. Они обнаружили, что основной причиной снижения эффективности является ранее не выявленная утечка дырок в слой переноса электронов. Для решения этой задачи исследователи спроектировали трехмерную внутризеренную гетероструктуру внутри перовскитного излучателя. В этой конструкции узкополосные светящиеся области были объединены в единый каркас [PbX6]4-, а для ограничения носителей заряда использовались широкозонные барьеры.

Ключом к прогрессу в исследовании стало использование молекулы п-толуолсульфонил-L-аргинина (PTLA), которая прочно связывается с решеткой перовскита посредством нескольких функциональных групп (гуанидиновой, карбоксильной, аминовой и сульфонильной). PTLA обеспечивает локальное расширение решетки и создание широких барьеров без нарушения целостной структуры. Электронная микроскопия с высоким разрешением и сверхбыстрая спектроскопия подтвердили плавный перенос носителей между фазами гетероструктуры и подавление утечки дырок.

Оптимизированные PeLED показали беспрецедентную производительность: при яркости 22670 кд/м2 (почти 90% от пикового значения) внешняя квантовая эффективность (EQE) оставалась на уровне 10,5%, значительно превосходя предыдущие рекорды. Тесты стабильности показали половинный срок службы 127 часов при яркости 100 кд/м2 с минимальным искажением спектра.

Команда приписала свой успех двойственности гетероструктуры: ограничение дырок эмиттером при сохранении высокой подвижности носителей через непрерывную трехмерную решетку. Это исследование заполняет критический пробел в перовскитной оптоэлектронике и инновационном материаловедении, а рецензенты назвали его результаты «важной вехой в исследовании перовскитных светодиодов», подчеркнув безукоризненность выбранной методики.

По материалам techxplore.com