Caracterizaciones estructurales de las películas de nanoplaquetas de perovskita. (A) Una imagen de campo oscuro anular de ángulo alto (STEM-HAADF) de microscopía electrónica de transmisión de barrido transversal que muestra la capa de perovskita continua y sin agujeros. TPBi, 2,2′,2″-(1,3,5-bencinetriil)tris(1-fenil-1H-bencimidazol); PVK, poli(9-vinilcarbazol). (B) Una imagen STEM-HAADF ampliada que muestra la estructura fina de una nanoplaqueta de perovskita. Recuadro:el patrón de transformada rápida de Fourier (FFT) correspondiente. (C) Una imagen típica de microscopía electrónica de transmisión de alta resolución (HRTEM) de las nanoplaquetas de perovskita dispersas en una rejilla de cobre. Recuadro:El patrón FFT correspondiente. (D) Diagrama estadístico de la distribución del tamaño de las nanoplaquetas medidas por HRTEM. El tamaño medio es de 25,8 nm y la SD correspondiente es de 6,8 nm. El ajuste gaussiano se proporciona como una guía para el ojo. (E) Patrón de dispersión de rayos X gran angular de incidencia rasante. Los puntos de difracción se originan en las caras cristalinas de las nanoplaquetas. Los dos puntos de difracción en qz =1,065 y qy =1,070 Å−1 corresponden a {001} y {010} de β-CsPbBr3, respectivamente. Crédito:Avances científicos , 10.1126/sciadv.abg8458
Los diodos emisores de luz (LED) de perovskita planar son dispositivos de electroluminiscencia rentables y de alto rendimiento que son ideales para aplicaciones de iluminación y visualización de áreas grandes. Al explorar las capas de emisión con altas proporciones de momentos dipolares de transición horizontal (TDM), los investigadores pueden aumentar el desacoplamiento de fotones de los LED planos. Los LED que se basan en perovskita anisotrópica son ineficientes debido a los desafíos de regular las orientaciones de los TDM, así como a las dificultades de lograr altos rendimientos cuánticos de fotoluminiscencia, incluidos los desafíos de lograr el equilibrio de carga en las películas de nanoestructuras ensambladas. En este trabajo, Jieyuan Cui y un equipo de investigación en química, ciencia de materiales y óptica en China, mostraron una electroluminiscencia eficiente que emana de una película de perovskita in situ hecha de una monocapa de nanoplaquetas. El equipo logró LED con una eficiencia cuántica externa (EQE) máxima del 23,6 por ciento para representar LED de perovskita planar altamente eficientes.
Momentos dipolares de transición y perovskitas de halogenuros metálicos
Las características de emisión de fotones en los semiconductores se basan en los momentos dipolares de transición. Las moléculas en un material pueden alcanzar un estado excitado o no excitado a través de la absorción y emisión de luz, donde las reglas del momento dipolar de transición y la mecánica cuántica pueden ayudar a predecir si la transición a un estado excitado es probable. Las nanoplaquetas y los nanorods que comprenden momentos dipolares de transición óptica dentro de los materiales son altamente anisotrópicos y su relación estructura-propiedad es de interés para los diodos emisores de luz (LED) planos. Generalmente, los momentos dipolares de transición están orientados horizontalmente para un acoplamiento ligero y los que están orientados verticalmente contribuyen a la pérdida de energía. Las perovskitas de haluro metálico son otra clase emergente de semiconductores procesados en solución con propiedades interesantes que incluyen altos rendimientos cuánticos de fotoluminiscencia y longitudes de onda de emisión sintonizables. En este informe, Cui et al. describieron LED eficientes basados en películas de perovskita cultivadas in situ para mostrar altas proporciones de momentos dipolares de transición horizontal y altos rendimientos cuánticos de fotoluminiscencia.
Propiedades ópticas de las películas de nanoplaquetas de perovskita. (A) Espectros de absorción y PL (excitados por un láser de 405 nm). a.u., unidades arbitrarias. (B) PLQY dependiente de la intensidad de excitación. Las barras de error representan las incertidumbres experimentales en las mediciones de PLQY a 0,4 mW/cm2 y los errores en la determinación de las intensidades relativas de PL y la potencia de excitación. Crédito:Avances científicos , 10.1126/sciadv.abg8458
Caracterización estructural de nanoplaquetas
El dispositivo contenía una capa de perovskita analizada por microscopía electrónica de transmisión de barrido con corrección de aberraciones (STEM). El equipo depositó la película de perovskita a partir de una solución precursora que contenía varios compuestos, incluidos bromuro de litio, bromuro de cesio y bromuro de plomo disueltos en dimetilsulfóxido (DMSO). A partir de entonces, utilizando imágenes de campo oscuro anular de ángulo alto (HAADF), Cui et al observaron una película de perovskita suave. Usando estudios de acercamiento, notaron columnas atómicas bien resueltas con nanoplaquetas de perovskita altamente cristalinas. A partir de entonces, mediante microscopía de fuerza atómica, determinaron la rugosidad del material y comprendieron el tamaño de los cristales de perovskita o nanoplaquetas mediante microscopía electrónica de transmisión de alta resolución.
Orientaciones de los TDM de las películas de nanoplaquetas de perovskita. (A) Mediciones de PL dependientes del ángulo de la película de perovskita en un sustrato de cuarzo/TFB/PVK. Los datos experimentales (cuadrados grises) están ajustados por el modelo de dipolo electromagnético clásico (línea roja), dando una relación TDM horizontal de 84 ± 4%. (B) Imagen de plano focal posterior (BFP) de una película de perovskita. (C) corte de línea polarizada p (línea gris) a lo largo de la línea discontinua en la imagen BFP (B). Este corte de línea está equipado con una relación TDM horizontal del 87 % (línea continua roja). Crédito:Avances científicos , 10.1126/sciadv.abg8458
Análisis ópticos de la película de nanoplaquetas
El equipo influyó en las propiedades electrónicas y ópticas de la película de perovskita utilizando el efecto de confinamiento cuántico y luego cuantificó la orientación de los momentos dipolares de transición de la película de perovskita. Posteriormente, Cui et al. analizó la emisión de luz de la película de perovskita mediante espectroscopia de plano focal negro (BFP). Para lograr esto, probaron una pequeña región de la película de nanoplaquetas de perovskita con un láser para fotoexcitación. Los datos indicaron una excelente uniformidad espacial de la orientación horizontal de los momentos dipolares de transición en la película. A continuación, el equipo utilizó los datos de BFP de cuatro puntos de diferentes regiones para mostrar una excelente uniformidad espacial de las orientaciones de los momentos dipolares de transición horizontal en las películas. Debido a la concentración de los voluminosos cationes orgánicos de amonio y la presencia de bromuro de litio en la solución precursora, la película de nanoplaquetas de perovskita se orientó con altos rendimientos cuánticos de fotoluminiscencia. Al duplicar la concentración de los voluminosos cationes orgánicos de amonio, Cui et al. formó películas de perovskita con fuertes picos de absorción excitónica y atribuyó la orientación horizontal de las nanoplaquetas en los sustratos planos a las interacciones de Van der Waals.
Caracterización de los LED de perovskita que funcionan a temperatura ambiente
Basándose en otros experimentos, el equipo mostró cómo la introducción de bromuro de litio (LiBr) en la solución precursora mejoró las propiedades cuánticas de fotoluminiscencia de la película. Además, el espectro de electroluminiscencia de la película de nanoplaquetas de perovskita indicó emisiones verdes ultrapuras y la morfología sin orificios de la película de nanoplaquetas permitió una fuga de corriente insignificante. Cuando realizaron simulaciones ópticas en los materiales utilizando el modelo de dipolo clásico desarrollado para microcavidades planas, los resultados indicaron una alta eficiencia de desacoplamiento del 31,1 por ciento para los dispositivos de perovskita en función de la orientación de la película de nanoplaquetas. Mientras que el trabajo anterior tenía como objetivo controlar las orientaciones de los momentos dipolares de transición centrándose en el ensamblaje de nanoestructuras coloidales anisotrópicas, la electroluminiscencia de alta eficiencia requería la síntesis de nanoestructuras coloidales anisotrópicas con un alto rendimiento cuántico. El potencial para cumplir con los requisitos del dispositivo fue un desafío debido al diseño del material y los requisitos de ensamblaje.
Caracterizaciones de dispositivos de LED verdes basadas en películas de nanoplaquetas de perovskita. (A) espectro EL. Recuadro:Fotografía de un LED verde en funcionamiento (área efectiva:3,24 mm2). (B) La distribución angular de la intensidad EL sigue el perfil lambertiano. (C) Características de densidad de corriente-luminancia-voltaje de un dispositivo típico. (D) Relación EQE-voltaje del dispositivo con un EQE campeón de 23,6%. (E) Histograma de EQE máximos de 36 dispositivos. Los ajustes gaussianos se proporcionan como una guía para el ojo. (F) Gráfico de contorno de los resultados de la simulación del dispositivo EQE en función de PLQY y Θ de la capa emisiva de perovskita. La estructura del dispositivo que se muestra en (A) se utiliza para la simulación. Los índices de refracción de las multicapas se obtienen por elipsómetro. Para nuestra película de nanoplaquetas de perovskita con un PLQY de ~75 % y un Θ de 84 %, la simulación óptica predice un EQE máximo de ~23,3 %. Crédito:Avances científicos , 10.1126/sciadv.abg8458
Perspectiva
De esta forma, Jieyuan Cui y sus colegas demostraron cómo se podía regular la orientación de los momentos dipolares de transición de las películas de perovskita para superar los límites del desacoplamiento de la luz de los LED planos para formar LED verdes con una eficiencia cuántica externa excepcionalmente alta de hasta el 23,6 %. La versatilidad química de los materiales de perovskita permitió a Cui et al. extender el enfoque sencillo a películas de nanoplaquetas cultivadas in situ para desarrollar LED de diferentes colores con alta eficiencia cuántica externa. El trabajo describe un método simple y eficaz para comprender el papel de las propiedades ópticas anisotrópicas de las nanoestructuras en la formación de dispositivos optoelectrónicos.
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