Titik Kuantum Cs₂SnCl₆ Dotasi Bismuth dan CsPbCl₃ Dotasi Mangan Bebas Timbal untuk LED Putih Stabil dan Efisien Tinggi

Abstrak

Titik kuantum perovskit (QD) dipuji karena quantum yield luar biasa, jarak band yang dapat diatur, dan kemudahan sintesis, menjadikannya ideal untuk dioda pemancar cahaya putih (WLED). Namun, QD merah yang mengandung iodium menderita ketidakstabilan fotokimia. Di sini, kami menunjukkan WLED yang menggabungkan QD Cs₂SnCl₆ bebas timbal dotasi bismuth (biru) dan CsPbCl₃ dotasi manganese (oranye). Perangkat memancarkan cahaya putih dengan kromatisitas (0,334, 0,297), suhu warna terkorelasi 5311 K, dan indeks rendering warna (CRI) 80. Kedua keluarga QD menunjukkan stabilitas udara yang baik, dan WLED yang dihasilkan mempertahankan >90% kecerahannya setelah 300 jam operasi berkelanjutan, menetapkan benchmark baru untuk LED perovskit anorganik.

Pendahuluan

Dioda pemancar cahaya putih (WLED) adalah masa depan pencahayaan padatan, menawarkan efisiensi energi yang superior, umur panjang, dan efficacy luminosa yang tinggi. QD-LED telah muncul sebagai platform yang menjanjikan karena PLQY yang tinggi dan kesetabilan spektral. QD perovskit, khususnya, mencapai PLQY di atas 90% dan dapat disintesis pada suhu rendah, namun penggunaan luasnya terbatas oleh ketidakstabilan komposisi yang mengandung iodium dan toksisitas timbal. Pekerjaan terbaru telah menunjukkan bahwa dopansi perovskit dengan elemen yang kurang toksis seperti bismuth (Bi) atau manganese (Mn) dapat mempertahankan atau bahkan meningkatkan performa optik sambil mengurangi khawatir lingkungan. Studi ini memperkenalkan dua QD perovskit bebas timbal—Cs₂SnCl₆ dotasi Bi yang memancarkan cahaya biru dan CsPbCl₃ dotasi Mn yang memancarkan cahaya oranye. Kedua QD memiliki anion klorida yang sama, mencegah reaksi pertukaran anion selama perakitan perangkat. WLED yang dihasilkan menampilkan kualitas warna yang excelente, efisiensi luminosa yang tinggi, dan stabilitas operasional rekord panjang.

Metode

Bahan dan Kimia

Karbonat sesium tertinggi, klorida timbal, klorida sesium, asam oleat, 1-oktadeken, klorida manganese tetrahidrat, amina oktadesil, klorida timah, klorida bismuth, PMMA, asam klorida, metanol, toluen, asetat etil, dan heksana diperoleh dari Alfa Aesar, Aladdin, Macklin, Sinopharm, Kermel, Concord, dan Pabrik Kimia Beijing, masing-masing.

Proses Sintesis

Persiapan Cs-oleat

Cs-oleat disiapkan mengikuti protokol Kovalenko: 0,8 g Cs₂CO₃, 2,5 mL asam oleat, dan 30 mL 1-oktadeken dipanaskan di bawah nitrogen hingga 150 °C sampai larut sepenuhnya.

QD CsPbCl₃ Dotasi Mn

Menggunakan metode injeksi panas, PbCl₂ (0,0615 g), MnCl₂·(H₂O)₄ (0,08 g), amina oktadesil, asam oleat, dan ODE dicampur dan dipanaskan hingga 180 °C. Setelah menginjeksi ligand kering dan 0,4 mL Cs-oleat, campuran didinginkan dalam mandi es. QD dipresipitasi dengan heksana/asetat etil (1:3) dan difurnifikasi melalui sentrifugasi.

Cs₂SnCl₆ Dotasi Bi

CsCl (0,337 g), SnCl₂ (0,189 g), BiCl₃ (0,032 g), dan 4 mL HCl 37% dicap dalam autoklaf Teflon dan dipanaskan pada 220 °C selama 20 jam. Kristal putih yang dihasilkan dikumpulkan melalui sentrifugasi.

Fabrikasi LED

Chip UV komersial 365 nm dilapisi secara berurutan dengan dispersi PMMA/toluen dari QD Cs₂SnCl₆ dotasi Bi diikuti oleh QD CsPbCl₃ dotasi Mn. Setelah spin-coating, film dikuring pada suhu ruangan selama 30 menit.

Karakterisasi

Spektra penyerapan direkam dengan Shimadzu UV-2550; fluoresensi dengan spektrometer Ocean Optics. PLQY diukur menggunakan bola integrasi (FLS920P). Analisis struktural menggunakan TEM (FEI Tecnai G2), SEM/EDX (Quanta 450 FEG), dan XRD (Bruker D8). PL teresolusi waktu (TRPL) dilakukan pada Edinburgh FLS920. EL dan efficacy luminosa diukur dengan sistem ATA-1000.

Hasil dan Pembahasan

Cs₂SnCl₆ Dotasi Bi. Penyerapan puncak pada ~375 nm, dengan PL maksimum pada 465 nm (FWHM 65 nm) dan PLQY 76%. Material mempertahankan intensitas PL setelah 300 jam paparan UV dan tetap stabil selama tiga bulan di udara ambient.

CsPbCl₃ Dotasi Mn. Tepi penyerapan pada ~400 nm menghasilkan dua puncak PL pada 405 nm (host) dan 595 nm (transisi d-d Mn²⁺, FWHM ~80 nm). PLQY mencapai 52%. QD mempertahankan PL mereka selama lebih dari tiga bulan di bawah kondisi ambient.

Lifetime TRPL adalah 375 ns untuk Cs₂SnCl₆ dotasi Bi dan 1,7 ms untuk CsPbCl₃ dotasi Mn, mengonfirmasi saluran emisi cepat dan lambat yang diharapkan, masing-masing.

SEM/TEM dan EDX mengonfirmasi fase kristal dan stoikiometri kedua QD. Dopansi Mn optimal (6,45 mg mL⁻¹) memaksimalkan intensitas PL tanpa mempengaruhi lebar spektral, mempertahankan kromatisitas stabil (0,535, 0,460).

Kinerja WLED. Perangkat yang dirakit menunjukkan dua puncak EL yang berbeda yang sesuai dengan pemancar biru dan oranye. Pada 15 mA, koordinat warna adalah (0,334, 0,297) dengan CCT 5311 K dan CRI 80. Efficacy luminosa mencapai 20,8 lm W⁻¹ dan luminance 78 kcd m⁻². Intensitas EL bereaksi linear dengan arus hingga 120 mA tanpa perpindahan spektral, menunjukkan stabilitas termal yang kuat.

Pengujian jangka panjang menunjukkan kehilangan kurang dari 10% setelah 300 jam operasi berkelanjutan, dengan umur setengah 3000 jam—secara signifikan melebihi LED perovskit berbasis iodium. Pada 15 mA, intensitas PL tetap pada 99% setelah 50 jam dan 97% setelah 100 jam.

Kesimpulan

Dengan menggabungkan QD Cs₂SnCl₆ dotasi Bi (biru) dan CsPbCl₃ dotasi Mn (oranye), kami telah memproduksi WLED bebas timbal yang memberikan kualitas warna tinggi (CRI 80), efficacy luminosa tinggi (20,8 lm W⁻¹), dan stabilitas operasional yang luar biasa (umur setengah 3000 jam). Anion klorida yang sama menghilangkan degradasi pertukaran anion, sementara komposisi bebas timbal mengatasi khawatir lingkungan. Temuan ini membuka jalan untuk teknologi cahaya putih yang dapat diskalakan dan berkelanjutan berdasarkan titik kuantum perovskit anorganik.

Singkatan

QDs:

Titik kuantum

WLEDs:

Dioda pemancar cahaya putih

QY:

Quantum yield

PL:

Fotoluminesensi

TRPL:

Spektroskopi fotoluminesensi teresolusi waktu

SEM:

Mikroskop elektron pemindai

EDX:

Spektroskopi sinar X dispersif energi

XRD:

Difraksi sinar X

FWHM:

Lebar setengah maksimum

EL:

Elektroluminesensi