专栏名称: 研之成理
夯实基础，让基础成就辉煌；传递思想，让思想改变世界。“研之成理科研平台”立足于科研基础知识与科研思想的传递与交流，旨在创建属于大家的科研乐园！主要内容包括文献赏析，资料分享，科研总结，论文写作，软件使用等。科研路漫漫，我们会一路陪伴你！
目录
相关文章推荐
募格学术  ·  清华大学发布讣告 ·  16 小时前  
科研大匠  ·  65人入选！又一青年人才托举工程名单公示 ·  4 天前  
科研圈  ·  24小时热门｜北大数学家独作论文登数学顶刊！ ... ·  3 天前  
研之成理  ·  钙钛矿太阳能电池，Science！ ·  5 天前  
实验万事屋  ·  有没有那么一种可能，我的博士生导师看不太懂肿 ... ·  3 天前  
51好读  ›  专栏  ›  研之成理

北京理工大学李红博教授课题组AM：梯度合金化冠/壳结构提高纯红色CdSe纳米片LEDs的效率和稳定性

研之成理  · 公众号  · 科研  · 2024-12-28 19:33

正文

▲第一作者：Yicheng Zeng（曾毅成）
通讯作者：Hongbo Li（李红博）
通讯单位：北京理工大学
论文DOI：10.1002/adma.202415569（点击文末「阅读原文」，直达链接）


  


全文速览
CdSe基二维纳米片（NPLs）相比于其他维度发光材料具有更高的平面内偶极子，更有利于提高发光二极管的外量子效率（EQE）。然而，CdSe基NPLs热力学不稳定易发生熟化，且不同晶面能量差异大导致包覆壳层难度高。针对该问题，通过引入过渡冠（CdSeS）结构提升CdSe基NPLs侧面的稳定性，抑制高温长壳过程中的熟化作用，并生长合金梯度（CdZnS）壳层提高CdSe基NPLs的量子产率和稳定性。基于合成的核/冠/壳NPLs制备了LEDs，获得了高效率（EQE为30.1%）和优异的工作寿命（T95＞600 h在1000 cd/m2亮度下）。这是迄今为止NPL-LEDs的最高效率值。相关研究成果发表在Advanced Materials上，第一作者为曾毅成博士。



  


背景介绍
胶体NPLs只在厚度方向上具有量子限域效应，从而产生了独特的光学特性，如极窄的发射线宽、较短的光致荧光寿命、各向异性跃迁偶极子分布、高增益系数和超低的激光阈值。这些独特的光学特性使NPLs为光电子应用提供了巨大的潜力，包括太阳能聚光器、固态激光器和LEDs。胶体NPLs具有非常高的色纯度，可以轻松满足Rec.2020的下一代显示标准，因此在显示和照明方面具有很高的应用前景。由于偶极子分布可控，NPL-LEDs的EQE可以达到约40%的理论极限，是QLEDs理论极限的1.5倍。迄今为止，研究者通过各种策略提高NPL-LEDs的电致发光性能，包括高温热注入方法优化壳的生长，合成稳定且光致荧光量子产率（PLQY）≈100%的核/壳NPLs，以及调控LEDs传输层和NPLs界面之间的相互作用来提高出光输出耦合因子。


相比于胶体量子点，胶体NPLs的生长是由侧面和顶面之间不平衡的表面能驱动，合成的NPLs由于侧面能量高而稳定性差，导致配体结合能低和缺陷态增加。此外，NPLs的热力学稳定性较低且高温易熟化，增加了NPLs高温包壳的难度。虽然低温胶体原子层沉积方法适用NPLs生长壳层，可实现多种核/壳结构，且避免了与低热稳定性相关的问题。然而，低温获得的核/壳NPLs通常表现出相对较低的荧光量子产率（PLQY）且纯化步骤复杂。为了进一步提高NPLs的PLQY，研究者通过添加油酸金属络合物来提高CdSe基NPLs的热力学稳定性，最大限度减少了NPLs在高温下的熟化，在高温条件下生长CdS、ZnS、ZnSe和CdZnS壳层并获得了尺寸均匀和光学性能优异的核/壳NPLs。虽然NPLs合成方法与NPL-LEDs制备工艺发展迅速，但仍落后于最先进的QLEDs。因此，合成高质量NPLs和优化NPL-LEDs器件结构至关重要。


  


研究出发点
本工作旨在提升CdSe基NPLs的稳定性、量子产率以及电致发光器件性能。通过引入宽带隙过渡冠（CdSeS）结构来提高CdSe基NPLs的侧面稳定性，降低晶面能量差异，抑制高温长壳过程中的熟化作用；通过构建合金梯度壳层（CdZnS）结构，以减少核壳界面缺陷、抑制俄歇复合和福斯特共振能量转移，从而提高CdSe基NPLs的量子产率和稳定性；通过器件结构优化，平衡载流子注入，提高注入激子复合率，从而显著提升CdSe基NPLs发光器件的性能。



  


图文解析
传统的球形量子点具有随机取向的偶极子，其中只有20%的光子可以从衬底表面逸出，而各向异性NPLs表现出较强的面内偶极子分布，这会增加光输出耦合系数至40%。为了进一步提高CdSe基NPLs的热稳定性，在生长壳层之前，在CdSe基NPLs的侧面生长了CdSeS过渡冠。通过改变S-ODE-OA前驱体溶液注入量来调控CdSeS过渡冠的生长尺寸。基于尺寸均一的CdSe/CdSeS核/冠NPLs，在高温条件下生长CdZnS合金壳层，最终获得尺寸均匀（平均长、宽和厚度分别为23.21±1.01，20.01±0.75和4.81±0.19 nm）、分散良好的CdSe/CdSeS/CdZnS核/冠/壳NPLs。通过HAADF-STEM和EDS表征验证了冠/壳的均匀生长以及尺寸的高度均匀性。

图1. 量子点和纳米片光输出耦合效率对比示意图；CdSe/CdSeS/CdZnS NPLs的合成流程图和形貌表征图。

通过构建了时间分辨率为100 ms的原位PL系统，用于监测CdZnS壳层生长过程中PL光谱的演变。结果表明CdSe/CdSeS核/冠NPLs显示明亮的PL且具有稳定的峰位置，PL半峰宽逐渐窄化，而CdSe NPLs的PL峰位置显示明显的红移且PL半峰宽保持在33 nm以上。证明了CdSeS过渡冠具有较高的热力学稳定性。稳态和瞬态PL光谱结果表明均匀生长的冠/壳结构可以有效地钝化CdSe基NPLs表面缺陷并限制激子于内核中。此外，通过瞬态吸收光谱进一步研究了CdSe基核/冠/壳NPLs的光物理性质。CdSe/CdSeS/CdZnS核/冠/壳NPLs的双激子寿命（1574 ps）比CdSe/CdZnS核/壳NPLs的双激子寿命（1182 ps）长，以及报道的文献中CdSe/CdZnS核/壳NPLs的双激子寿命（1264 ps）。结果表明，与传统的CdZnS壳层相比，CdSeS/CdZnS冠/壳可以有效地抑制CdSe基NPLs的俄歇非辐射复合。

图2. CdSe基纳米片壳层生长原位表征和光学性能表征图。

使用515 nm的飞秒激光来激发测试CdSe/CdSeS/CdZnS核/冠/壳和CdSe/CdZnS核/壳NPLs的光增益性能。结果为CdSe/CdSeS/CdZnS核/冠/壳NPLs的光增益阈值为2.11 μJ/cm2，低于CdSe/CdZnS核/壳NPLs（2.56 μJ/cm2）以及报道的CdSe/CdZnS核/壳NPLs的最低阈值（2.35 μJ/cm2)。通过温度依赖PL表征进一步验证冠/壳对CdSe基NPLs的影响。当温度从80 k升高到300 k时，CdSe/CdSeS/CdZnS核/冠/壳NPLs的PL强度降低幅度小于CdSe/CdZnS核/壳NPLs，这表明CdSeS/CdZnS冠/壳比CdZnS壳更有利于钝化CdSe基NPLs表面的非辐射缺陷。此外，通过拟合温度依赖PL强度获得CdSe/CdZnS核/壳NPLs和CdSe/CdSeS/CdZnS核/冠/壳NPLs的激子结合能值分别为117.9和132.6 meV，表明核/冠/壳比传统的核/壳结构具有更高的限域激子作用。

图3. CdSe基纳米片在不同激发密度下的PL光谱以及温度依赖PL光谱。

NPLs发光薄膜对于构建高性能NPL-LED至关重要。SEM图像显示沉积在空穴传输层上的NPLs大部分是水平排列。AFM图像显示NPLs发光薄膜的均方根粗糙度仅为1.45 nm，低于CdSe/CdS NRs薄膜的报道值（2.03 nm）。这主要是由于高度均匀的CdSe/CdSeS/CdZnS NPLs及其大部分面朝下的排列。此外，高质量的NPLs发光薄膜通过BFP成像表征，测量为94%的面内跃迁偶极矩分布。

图4. CdSe基纳米片发光膜表征。


NPL-LEDs采用Glass/ITO/PEDOT:PSS/PF8Cz/NPLs/PMMA/ZnO/Al的结构。CdSe/CdSeS/CdZnS NPL-LEDs的最大EQE为30.1%，对应的最大电流效率为29.3 cd/A，这是NPL-LEDs中报道的最高值。此外，NPL-LEDs还具有较低的开启电压（1.95 V）和最大的亮度（134306 cd/m2），以及优异的工作寿命（T95＞600 h在1000 cd/m2亮度下）。与报道的NPL-LEDs相比，CdSe/CdSeS/CdZnS NPL-LEDs的工作寿命显著延长，这主要归因于CdSeS/CdZnS冠/壳结构抑制了非辐射俄歇复合和100%的PLQY，以及电荷注入平衡。


图5. CdSe基纳米片电致发光性能表征。


  


总结与展望
本工作在CdSe NPLs的侧面引入了CdSeS梯度冠，以提高其热稳定性并抑制壳层生长过程中的熟化。之后，采用种子生长法生长CdZnS梯度合金壳，获得了100%的PLQY和窄PL半峰宽（24 nm）的CdSe/CdSeS/CdZnS核/冠/壳NPLs，大大扩展了色域，实现了在飞秒激光激发下创纪录的低放大自发辐射阈值（2.11 μJ/cm2）。选择具有匹配能级的载流子传输层制备了CdSe/CdSeS/CdZnS NPL-LEDs，获得了创纪录的EQE（30.1%）和最大亮度134306 cd/m2。NPL-LEDs还表现出较长的工作寿命（T95 = ~623 h在1000 cd/m2亮度下）。这项工作解决了CdSe NPLs在高温下生长壳层过程中易熟化的关键问题，并提高了基于CdSe的NPL-LEDs的电致发光性能。


  


作者介绍
李红博，北京理工大学材料学院教授，博士生导师，2010年中国科学院理化技术研究所获博士学位，2010年至2017年先后在意大利理工学院和美国洛斯阿拉莫斯国家实验室从事博士后研究。主要从事无机半导体纳米晶的化学合成、光谱调控、以及光电器件的制备和光伏技术应用等研究。在包括Nature Energy、 Nature Photonics、 J. Am. Chem. Soc.、Adv. Mater.、Matter等学术期刊上累计发表学术论文60余篇，引用超过4000次，6篇论文入选ESI 高引用论文。任Rare Materials和《中国材料进展》青年编委，Energy Material Advances青年主编。

曾毅成，2024年6月获得北京理工大学博士学位。主要研究领域为量子点发光材料的合成及其电致发光器件的研究，目前以第一作者在Adv. Mater., Adv. Funct. Mater., Nano Lett.等期刊共发表SCI论文11篇。


  




研理云服务器

业务介绍

研理云，研之成理旗下专门针对科学计算领域的高性能计算解决方案提供者。我们提供服务器硬件销售与集群系统搭建与维护服务。

   ● 配置多样（单台塔式、两台塔式、多台机架式），按需定制，质量可靠，性价比高。

 ● 目前已经为全国 100 多个课题组提供过服务器软硬件服务（可提供相同高校或临近高校往期案例咨询）。
 ● 公司服务器应用工程师具有量子化学、第一性原理、分子动力学等相关学科研究背景。
 ● 公司与多位化学、材料领域理论计算方向专家长期合作，一起探索最优服务器软硬件配置和部署。
 ● 可参与招投标。
产品特色
  ● 定制化硬件配置：提供售前实例测试，为您提供最合适的硬件配置方案。
  ● 一体化软件服务：根据需求，发货前，完成系统、环境、队列、计算软件等所有内容的安装与配置，让您实现开机即用。
  ● 完善的售后服务：为每位客户建立专属服务群，遇到问题及时解决。大大降低使用学生使用门槛和缓解老师压力。三年硬件质保 + 三年免费软件技术支持。
  ● 已购买客户咨询：我们已有超过100位已购买客户，可以给您提供相同城市或者临近城市已购买客户的联系方式，以提供真实案例咨询。  
 ● 赠送课程学习机会：可选课程包括量子化学（Gaussian），第一性原理，（Vasp），分子动力学模拟（Lammps、Grommacs），钙钛矿计算模拟（Vasp）等。具体赠送方案以沟通结果为准。



扫码添加客服微信


相
关
推
荐
1. 仪器表征基础知识汇总
2. SCI论文写作专题汇总
3. Origin/3D绘图等科学可视化汇总
4. 理论化学基础知识汇总
5. 催化板块汇总
6. 电化学-电池相关内容汇总贴
7. 研之成理名师志汇总
更多科研作图、软件使用、表征分析、SCI 写作、名师介绍等干货知识请进入后台自主查询。

推荐文章
募格学术  ·  清华大学发布讣告
16 小时前
科研大匠  ·  65人入选！又一青年人才托举工程名单公示
4 天前
科研圈  ·  24小时热门｜北大数学家独作论文登数学顶刊！袁新意统一了算术与几何Bogomolov猜想｜宋尔卫院士团队发表最新乳腺癌临床研究
3 天前
研之成理  ·  钙钛矿太阳能电池，Science！
5 天前
实验万事屋  ·  有没有那么一种可能，我的博士生导师看不太懂肿瘤微环境的文献！看了这海军军医大学11.4分的SCI文章，他好像被硬控了……
3 天前
刘晓博说楼市  ·  特朗普在自家酒店当了一天服务员，搬行李，遛狗，打扫房间…顾客都惊呆了！
7 年前
51Testing软件测试网  ·  先解决思想：为何要写单元测试?
7 年前
装修情报  ·  盘点最常见的厨房装修的遗憾，千万别中招
7 年前
资本圈的那些事  ·  滚出中国！今天，14亿人愤怒了！
7 年前
杂学杂问  ·  2017年，这9笔收入将打入你的账户！速速查看！
7 年前
Sov5搜索   ·   小百科   ·   移动版
51好读 - 好文章就要读起来!