Kontrol Rasio Kation Cs Meningkatkan Efisiensi LED Perovskit Semua Anorganik Quasi-2D melalui Rekayasa Fase

Abstrak

Perovskit quasi-dua dimensi (2D) muncul sebagai luminofor berkinerja tinggi berkat energi iksitan pemetaan yang besar dan efisiensi fotoluminesensi yang luar biasa. Namun, dalam praktiknya, materi ini sering mengandung campuran fase, dan keberadaan komponen berdimensi rendah berlebihan secara parah menurunkan kinerja perangkat karena pembasahan iksitan-fonon yang jelas pada suhu kamar. Kami menyajikan strategi sederhana dan dapat diskalakan untuk menekan pertumbuhan fase berdimensi rendah dengan menyesapkan dengan tepat rasio molar bromida cesium (CsBr) terhadap bromida fenilpropilamonium (PPABr) dalam precursornya. Film perovskit quasi-2D yang dihasilkan menghasilkan dioda penyelap dengan kecerahan puncak 2921 cd m⁻² dan efisiensi arus 1,38 cd A⁻¹, secara signifikan melebihi kinerja perangkat berdasarkan CsPbBr₃ murni. Karya ini menunjukkan jalur yang kokoh untuk kontrol fase dalam perovskit quasi-2D, memungkinkan pembuatan LED perovskit (PeLED) yang sangat efisien.

Pendahuluan

Materi perovskit dengan cepat menarik perhatian untuk dioda penyelap tipis karena emisi yang dapat disesuaikan, mobilitas muatan ambipolar yang tinggi, kemampuan proses larutan, dan biaya rendah. Meskipun demikian, energi iksitan pemetaan yang secara inheren rendah dan kemampuan pembentukan film yang terbatas pada perovskit tiga dimensi (3D) sering menghasilkan karakteristik emisi yang tidak optimal. Sepanjang dekade terakhir, berbagai pendekatan—modulasi komposisi, rekayasa antarmuka, penangkap kristal nano, optimasi pelarut, dan doping polimer—telah digunakan untuk meningkatkan efisiensi luminesensi LED perovskit. Perangkat terbaru telah mencapai efisiensi kuantum eksternal (EQE) mendekati 20 %, setara dengan OLED terdepan dan menegaskan potensi perovskit untuk teknologi pencahayaan dan layar. Perovskit quasi-2D, secara umum digambarkan sebagai L₂(CsPbX₃)_n‑1PbX₄, telah muncul sebagai material emisif yang menjanjikan. Struktur lapisan mereka, yang dibentuk oleh kation amonium organik besar yang tidak dapat masuk ke dalam kerangka oktaedra PbX₆⁴⁻, menciptakan arsitektura sumbatan kuantum ganda dengan penjauan iksitan yang ditingkatkan dan, akibatnya, rendemen fotoluminesensi kuantum (PLQY) yang lebih tinggi serta stabilitas lingkungan yang lebih baik dibandingkan dengan sekutu 3D mereka. Secara historis, kation feniletilamonium (PEA) dan butilamonium (BA) telah dimasukkan ke dalam precursor perovskit untuk menghasilkan PeLED hijau dengan EQE berkisar 8,8 % hingga 14,4 % dan kecerahan hingga 8779 cd m⁻². Keberhasilan serupa telah dilaporkan untuk perangkat biru-langit menggunakan dopan campuran PEA dan isopropilamonium (IPA). Meskipun kemajuan ini, perovskit quasi-2D sering menunjukkan komposisi fase campuran, terutama dalam formulasi n = 3 stoikiometrik. Fase berdimensi rendah (nilai n kecil) berbahaya karena mereka mempromosikan interaksi iksitan-fonon non-radiatif pada suhu kamar, sehingga menurunkan efisiensi luminesensi. Mencapai kemurnian fase tinggi tetap menjadi tantangan sentral bagi bidang ini. Dalam studi ini, kami memperkenalkan kation cesium berlebih ke dalam precursor perovskit n = 3 untuk menekan pembentukan fase berdimensi rendah. Film quasi-2D yang dihasilkan, yang terdiri dari bromida fenilpropilamonium (PPABr) dan CsPbBr₃, menunjukkan morfologi film yang lebih baik, kepadatan cacat yang rendah, dan fotoluminesensi yang ditingkatkan secara signifikan. Perangkat yang dibuat dengan lapis emisif yang dioptimalkan ini mencapai kecerahan puncak 2921 cd m⁻² dan efisiensi arus 1,38 cd A⁻¹, mewakili peningkatan kinerja hampir tiga kali lipat dibandingkan perangkat berdasarkan film n = 3 stoikiometrik.

Metode

Semua reagen digunakan sebagaimana adanya. Bromida timbal (PbBr₂; Alfa Aesar, 99,999 %), dimetil sulfoksida (DMSO; 99,5 % anhydra, J&K Chemicals), PEDOT:PSS (Heraeus, VP AI4083), TPBi (≥ 99,9 %), bromida cesium (CsBr; 99,9 %), dan bromida fenilpropilamonium (PPABr; ≥ 99,5 %) diperoleh dari Xi’an Polymer Light Technology Corp. Larutan precursor perovskit disiapkan dengan mencampur PPABr, CsBr, dan PbBr₂ dalam DMSO pada 60 °C selama malam. Empat rasio molar diperiksa: 2:2:3, 2:3:3, 2:3,5:3, dan 2:4:3 (PPABr:CsBr:PbBr₂), sambil mempertahankan konsentrasi PbBr₂ konstan sebesar 0,15 M. Substrat kaca lapis ITO secara berurutan dibersihkan dengan deterjen, air deion, aseton, dan propanol isopropil selama 20 menit masing-masing, dikeringkan pada 80 °C selama 40 menit, dan diobati dalam kamar UV-Ozon selama 20 menit. PEDOT:PSS difilter (0,45 µm PTFE) dan dicelupkan putar pada 2900 rpm selama 60 detik, kemudian dipanaskan pada 150 °C selama 20 menit. Substrat dipindahkan ke handuk nitrogen untuk perakitan perangkat. Film perovskit dicelupkan putar pada 3000 rpm selama 90 detik dan dianil pada 90 °C selama 15 menit, menghasilkan tebal sekitar 70 nm. Selanjutnya, TPBi (40 nm), LiF (1 nm), dan Al (100 nm) dievaporasi termal di bawah tekanan dasar 4 × 10⁻⁴ Pa. Luas aktif setiap PeLED adalah 0,11 cm². Karakterisasi listrik dan optik dilakukan di dalam handuk tanpa kapsulasi. Kurva arus kepadatan–kecerahan–tegangan (J-L-V) dicatat menggunakan source-meter Keithley 2400 dan fotodioda silicon yang telah dikalibrasi. Spektro elektroluminesensi (EL) dikumpulkan dengan spektrometer PR670. Morfologi diperiksa dengan FESEM (ZEISS GeminiSEM 300) dan AFM (Agilent AFM 5500). Analisis struktural menggunakan difraksi sinar-X (XRD; X’Pert PRO, PANalytical). Serap UV-Visible diukur pada Agilent Cary 5000. Spektro fotoluminesensi (PL) stabil diperoleh dengan HITACHI F7000, dan kurva peluruhan fotoluminesensi waktu-beresolusi (TRPL) dicatat menggunakan spektrofotometer Edinburgh FLS980.

Hasil dan Pembahasan

Karakterisasi Film Perovskit

Gambar 1a menampilkan spektrum serapan film referensi 3D CsPbBr₃ dan 2D PPA₂PbBr₄. Film CsPbBr₃ menunjukkan puncak di dekat 517 nm, sedangkan film PPA₂PbBr₄ menunjukkan serapan yang berbeda pada 400 nm, mengonfirmasi keberadaan fase n = 1 dan n = ∞ serta mengilustrasikan penahanan kuantum yang kuat pada materi 2D. Untuk film fase campuran, beberapa puncak serapan menunjukkan koeksistensi beberapa nilai n. Dalam komposisi n = 3 dengan rasio 2:2, serapan yang terkait dengan fase n rendah mendominasi, mengisyaratkan proporsi tinggi spesies berdimensi rendah. Seiring bertambahnya kandungan CsBr menjadi 2:3 dan 2:3,5, ciri serapan fase n menengah muncul, mengindikasikan bahwa komponen n rendah secara bertahap dikonversi menjadi fase n yang lebih besar. Pola XRD (Gambar 1c) menunjukkan dua puncak dominan pada 15,15° dan 30,45°, yang dapat diturunkan ke bidang (100) dan (200) CsPbBr₃ ortorombik, masing-masing. Orientasi preferensi yang diamati di seluruh sampel sesuai dengan laporan sebelumnya. Analisis morfologi melalui SEM dan AFM (Gambar 2 dan 3) menunjukkan bahwa film 3D CsPbBr₃ murni memiliki permukaan yang kasar dengan banyak ruang kosong (RMS = 9,49 nm). Pemasukkan PPABr secara dramatis meningkatkan cakupan dan mengurangi ukuran butir, menurunkan RMS menjadi 2,16 nm pada rasio 2:2. Penambahan CsBr lebih lanjut ke rasio 2:3 dan 2:3,5 mempertahankan morfologi yang halus, sementara rasio 2:4 mengembalikan kekasaran. Pengamatan ini mengonfirmasi bahwa pemasukkan CsBr yang sedang tidak mengurangi kualitas film. Spektro fotoluminesensi (Gambar 4a) menunjukkan geser biru dari 524 nm (3D CsPbBr₃) ke 517 nm (2:2) karena penahanan kuantum yang ditingkatkan. Peningkatan kandungan CsBr menginduksikan geser merah ringan, dengan komposisi 2:3,5 memberikan intensitas PL tertinggi dalam kondisi eksitasi yang sama. Kurva peluruhan TRPL (Gambar 4b) dicocokkan dengan model tri-eksponensial, menghasilkan umur rata-rata (τ_avg) yang meningkat dari 7,02 ns (3D murni) menjadi 32,11 ns untuk film 2:3,5. Perpanjangan umur yang signifikan ini mencerminkan kepadatan jebakan yang rendah dan dinamika rekombinasi iksitan yang ditingkatkan, konsisten dengan penekanan fase n rendah.

Pembuatan Perangkat LED

Perangkat dibangun dengan struktur ITO/PEDOT:PSS/PPA₂(CsPbBr₃)_n‑1PbBr₄/TPBi/LiF/Al. Pengukuran arus–tegangan–kecerahan (Gambar 6c–e) menunjukkan bahwa pemasukkan PPABr secara signifikan mengurangi arus kebocoran pada bias rendah, mengindikasikan lebih sedikit jalur shunt. Film 2:2 mencapai kecerahan puncak 1026 cd m⁻² dan efisiensi arus 0,80 cd A⁻¹, melebihi baseline 3D lebih dari dua orde magnitude. Film 2:3,5 lebih meningkatkan kinerja, mencapai kecerahan 2921 cd m⁻² dan efisiensi arus 1,38 cd A⁻¹—peningkatan hampir tiga kali lipat dari perangkat 2:2. Spektro EL (Gambar 6e) menunjukkan geser merah kecil relatif terhadap PL, seperti yang biasanya diamati pada PeLED yang sedang beroperasi. Peningkatan ini disebabkan oleh morfologi film yang ditingkatkan dan pengurangan substansial konten fase berdimensi rendah yang dicapai dengan mengoptimalkan rasio CsBr.

Kesimpulan

Kami telah mengembangkan pendekatan rekayasa fase yang mudah yang memanfaatkan spasi organik dan penyesapan cesium yang dikontrol untuk menghasilkan film perovskit quasi-2D dengan morfologi dan kemurnian fase yang superior. Kandungan CsBr yang dioptimalkan menekan pembentukan fase n rendah, meningkatkan fotoluminesensi, dan memperpanjang umur iksitan. Akibatnya, PeLED dengan kinerja terbaik mencapai kecerahan puncak 2921 cd m⁻² dan efisiensi arus 1,38 cd A⁻¹. Strategi ini menawarkan jalur praktis untuk meningkatkan efisiensi LED perovskit quasi-2D dan membuka jalan untuk perangkat optoelektronik berkinerja tinggi di masa depan.

Ketersediaan Data dan Bahan

Semua data disajikan dalam teks utama atau file pendukung.

Singkatan

2D:

Dua dimensi

3D:

Tiga dimensi

AFM:

Mikroskop gaya atom

CE-V:

Efisiensi arus-tegangan

CsBr:

Bromida cesium

EQE:

Efisiensi kuantum eksternal

FESEM:

Mikroskop elektron semsan emissi medan

ITO:

Oksida timbal timah

J-V:

Kepadatan arus-tegangan

L-V:

Kecerahan-tegangan

PbBr₂:

Bromida timbal

PeLEDs:

Dioda penyelap perovskit

PLQY:

Rendemen kuantum fotoluminesensi

PPABr:

Bromida fenilpropilamonium

TRPL:

Fotoluminesensi waktu-beresolusi

XRD:

Difraksi sinar-X

τ_avg:

Umur rata-rata