Metallhalogenid-Perowskit-Nanokristalle haben sich aufgrund ihrer exzellenten optoelektronischen Eigenschaften zu idealen Kandidatenmaterialien für die Displaytechnologie entwickelt. Die schwache Koordination und die langkettige Struktur traditioneller Liganden (wie Ölsäure/Oleylamin) führen jedoch zu starken Oberflächendefekten und einem eingeschränkten Ladungstransport, was die Verbesserung der Leistung von Perowskit-Leuchtdioden (PeLEDs) behindert. Um dieses Problem zu lösen, veröffentlichte das Team um Rongjun Xie von der Fakultät für Materialwissenschaft und Werkstofftechnik der Universität Xiamen eine Forschungsarbeit mit dem Titel „Citrat-Ligand verbessert die Lichtausbeute grüner Perowskit-Leuchtdioden“ im *Journal of Luminescence*. Das Forschungsteam entwickelte einen kurzkettigen, stark chelatisierenden Zitronensäure-Liganden (CA), der über seine Carbonsäuregruppe (-COOH) und Hydroxylgruppe (-OH) multiple Koordinationsbindungen und Wasserstoffbrückenbindungen mit der Nanokristalloberfläche ausbildet und so eine effiziente Passivierung von Oberflächendefekten in CsPbBr₃-Nanokristallen erreicht. Die auf dieser Strategie basierende grüne Perowskit-Leuchtdiode erreichte eine maximale externe Quanteneffizienz (EQE) von 13,58 % und bietet damit eine kostengünstige und effiziente neue Lösung für die Oberflächenmanipulation von Perowskit.
Liganden-Interaktionsmechanismus
Das Forschungsteam wählte Zitronensäure als Liganden und führte sie mittels eines postsynthetischen Ligandenaustauschs in das CsPbBr₃-Perowskit-Nanokristallsystem ein. Als mehrzähniger Chelatligand bindet die Zitronensäure mit ihren Carbonsäure- und Hydroxylgruppen stabil an die CsPbBr₃-Oberfläche durch eine duale Wechselwirkung aus zweizähniger Koordination und Wasserstoffbrückenbindung. Berechnungen der Dichtefunktionaltheorie (DFT) ergaben eine Adsorptionsenergie des Zitronensäureliganden von -0,39 eV, die deutlich höher ist als die des Ölsäure-/Oleylamin-Liganden (-0,26 eV). Dies belegt thermodynamisch seine stärkere Oberflächenbindungsfähigkeit. Fourier-Transform-Infrarotspektroskopie und Röntgenphotoelektronenspektroskopie bestätigten die Bildung von Koordinationsbindungen und Wasserstoffbrückenbindungen und damit die effiziente Passivierung von Oberflächendefekten in den Perowskit-Nanokristallen.
Abbildung 1: Interaktionsmechanismus zwischen CsPbBr3-Nanokristallen und Oberflächenliganden
Mehrfache Optimierungen der optischen Eigenschaften von Nanokristallen
Die Modifizierung mit Zitronensäureliganden verbessert die Morphologie und die optischen Eigenschaften von CsPbBr₃-Perowskit-Nanokristallen umfassend. Morphologisch behalten die modifizierten CsPbBr₃-Nanokristalle ihre typische kubische Phase, weisen jedoch eine einheitlichere mittlere Größe und eine deutlich verbesserte Größenverteilung auf, wodurch eine strukturelle Grundlage für eine gesteigerte optische Leistung geschaffen wird.
Hinsichtlich der optischen Eigenschaften weisen die modifizierten Nanokristalle hervorragende Merkmale auf. Ihr Emissionsmaximum stabilisiert sich bei 513 nm, wobei die Halbwertsbreite (FWHM) auf 19,7 nm abnimmt. Die Photolumineszenz-Quantenausbeute (PLQY) steigt signifikant von 67,1 % auf 95,5 %, und die nichtstrahlende Rekombinationsrate sinkt von 68,5 μs⁻¹ auf 5,4 μs⁻¹, was eine signifikante Defektpassivierung belegt. Gleichzeitig verbessert der Zitronensäureligand die thermische Stabilität des Materials. Selbst bei 100 °C weisen die Nanokristalle eine hohe anfängliche Fluoreszenzintensität auf, und die Exzitonbindungsenergie steigt auf 145,3 meV. Dieser verstärkte Exzitonbindungseffekt gewährleistet, dass das System auch unter Hochtemperaturbedingungen den exzitondominierten Rekombinationsweg beibehält und somit eine synergistische Verbesserung der thermischen Stabilität und der Lumineszenzeffizienz erzielt wird.
Abbildung 2: Morphologie und optische Eigenschaften von CsPbBr3-Nanokristallen
Die Effizienz grüner Perowskit-Leuchtdioden wurde deutlich verbessert
Auf Basis von mit Zitronensäure modifizierten CsPbBr₃-Nanokristallen entwickelte das Forschungsteam eine grüne Perowskit-Leuchtdiode mit der Struktur ITO/NiOx/Poly-TPD/CsPbBr₃/TPBi/LiF/Al und erzielte damit eine signifikante Verbesserung der Elektrolumineszenzleistung. Die Leuchtdiode weist ein Elektrolumineszenzmaximum bei 517 nm und CIE-Farbkoordinaten von (0,099, 0,755) auf, die den Grünlichtstandard des NTSC-Farbraums deutlich übertreffen und eine exzellente Farbreinheit demonstrieren. Die Spitzenhelligkeit wurde auf 1208 cd/m² erhöht, und die maximale externe Quanteneffizienz (EQE) erreicht 13,58 %, das 2,9-Fache herkömmlicher Systeme. Auch die maximale Stromausbeute wurde auf 42,93 cd/A verbessert. Diese Leistungsverbesserung ist auf die effektive Passivierung von Defekten durch Oberflächenliganden-Engineering, die Modulation der Ladungsträgerrekombinationswege und die Optimierung ihres Transportgleichgewichts zurückzuführen.
