通过纳米尺度集成工程提升电信波长下溶液加工量子点发光二极管的性能

《Optical Materials》：Enhancing Solution-Processed Quantum Dot LED Performance at Telecom Wavelengths via Nanoscale Ensemble Engineering

　　

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  CsPbBr₃ 纳米晶体基质-PbS 量子点发射体集成显示出增强的短波红外发光二极管效率。
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  CsPbBr₃ 有助于电荷平衡，并减少活性层中发射量子点的电荷积累。
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  CsPbBr₃ 基质的电场屏蔽作用提高了发光二极管的工作稳定性。
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  该量子点发光二极管展示了在电信波长下的高效短程通信能力。

引言

短波红外（SWIR）发光器件是众多现代应用所必需的，包括光学无线通信、物联网（IoT）、监控、遥感、光谱学、医学成像等 [1], [2], [3], [4], [5], [6]。具有单片化、可与CMOS集成的SWIR发光发射体的发展，已成为增强现实、光保真、机器通信和机器人等下一代技术的基石 [7], [8], [9]。尽管外延生长的III-V族化合物半导体（如InGaAs、InP）是一项成熟技术，但仍面临高制造成本、受衬底限制的加工以及复杂的晶格匹配要求等挑战。这些制造复杂性严重阻碍了其在现代技术所需的智能、柔性或大面积芯片架构中的集成 [10], [11]。为克服这些局限性，低成本、溶液加工的胶体量子点（CQDs）凭借其优异的光电特性，已成为极具前景的替代方案。尤其是对于SWIR发射，硫化铅（PbS）CQDs 因尺寸可调的光学性质、相对较低的发射效率、更好的稳定性、简便的溶液法合成工艺、出色的电荷限制能力、大规模制造能力以及在智能和柔性器件中的易实施性而成为理想选择 [12], [13], [14]。基于PbS CQDs 的发光器件，特别是发光二极管（LED）和光学下转换器，在过去十年中表现出显著的性能提升。性能的提升归功于配体处理的改进、表面工程和器件工程 [12], [15], [16], [17], [18], [19]。Sun 等人将长链表面配体交换为短链结合剂，并调节PbS量子点之间的间距，以改善量子点之间的电荷传输和导电性。优化的量子点间距使所制备的PbS CQD LED实现了2%的外部量子效率（EQE） [20]。由于高亮度和稳定性对高效通信应用至关重要，因此人们致力于通过将发射量子点纳入更高带隙基质来提高LED活性层发射效率 [6], [12], [17], [19], [21], [22]。Pradhan 等人通过将PbS发射体钝化在更高带隙的PbS基质中来抑制陷态。基质封装所赋予的发射量子点中改善的载流子迁移率显著提高了LED的EQE [4], [23]。尽管取得了稳步发展，但由于运行不稳定性、较低辐射度以及在大注入电流下急剧的性能衰退，这些器件仍缺乏实用性 [6]。有机基基质的低稳定性和无效的发射量子点表面钝化降低了器件性能。虽然更高带隙的PbS CQD基质能有效钝化较小的发射量子点，但发射体与基质之间的能带偏移强烈影响活性层中的电荷平衡。活性层中的电荷不平衡可能导致俄歇复合（AR） [4], [18], [21]。AR降低了LED效率，导致在高电流注入区域更快地出现衰退 [24], [25]。除AR外，强内部电场可诱导量子点充电并降低辐射复合 [26]。为减轻电荷不平衡、量子点充电和陷态的不利影响，Gong 等人将PbS CQDs 嵌入MAPbI_xBr_3?x 杂化钙钛矿基质中，并以此材料制备了PbS LED，实现了5.2%的EQE [12]。有效的量子点钝化、高效的载流子扩散以及杂化基质与发射量子点之间改善的晶格匹配，提高了PbS CQDs 的发射效率并降低了陷态密度。此外，Gao 等人将PbS发射体分散在层状CsPbBr₃ 钙钛矿基质中，得益于基质提供的改善电荷传输和量子点钝化，在980 nm处实现了8.1%的EQE [17]。然而，杂化钙钛矿的稳定性较差，且层状钙钛矿基质需要苛刻的合成条件，因此对PbS钝化而言，亟需易加工、高效且稳定的替代方案。

在此，我们利用溴化铯铅纳米晶体（CsPbBr₃ NCs）作为PbS CQD发射体的基质。凭借优异的电荷载流子传输特性、简便的可加工性、宽带隙和适宜的能级 [27], [28], [29]，CsPbBr₃ NC 基质显著提高了发射量子点的发射效率。具体来说，宽带隙基质提供了有效的表面钝化，抑制了量子点充电，并促进了发射PbS量子点的电场屏蔽。此外，发射体-基质界面的适当能带偏移通过建立更高的势垒，最小化了载流子泄漏并平衡了电荷注入，从而抑制了AR。受控的载流子注入、改善的发射体发射以及基质辅助钝化使所制备的基于PbS CQD的SWIR LED表现出增强的发射效率和卓越的工作稳定性，即使在强电场条件下也是如此。此外，SWIR LED器件展示了高效的加密短程数据和图像传输能力。

章节摘要

化学品与材料

氧化铅（PbO, >99.99%）和十八烷（ODE, >90%）购自Sigma-Aldrich，溴化铅（PbBr₂, >98%）、醋酸铯（CsAc, >98%）、正辛胺（OcAm, >98%）、正辛酸（OcAc, >98%）和二(三甲基硅基)硫化物（(TMS)₂S）购自东京化学工业（TCI），乙酸锌二水合物（Zn(CH₃COO)₂.2H₂O, >99.5%）和油酸（OA）购自Sisco Research Laboratories（SRL）。氢氧化钾（KOH, >85%）购自印度Avra Pvt. Ltd。溶剂

CsPbBr₃ 作为基质材料的适用性

施加于LED器件的外部电场是影响LED性能的关键参数。在外部电场作用下，LED器件的活性层内发生电荷载流子的注入和积累。这种载流子积累导致量子点内感应内部电场，显著影响有效电场分布，改变活性层中的载流子限制，并影响复合率和器件的发射

结论

总之，我们通过活性层集成工程展示了基于SWIR的CQD LED性能的改善。CsPbBr₃ NCs 被用作PbS CQD基发射体的基质材料，以形成LED活性层集成。该基质提高了所制备LED器件的发射体发射和扩散效率，从而提高了器件效率。此外，由于CsPbBr3 NC 基质的高势垒，活性层中的电荷注入得到平衡，从而

CRediT 作者贡献声明

Santanu Pradhan：写作 – 审阅与编辑、监督、资金获取、形式分析、概念构思。Ankush Kumar Patel：软件、形式分析。Sarjeet Kumar：写作 – 初稿撰写、方法学、调查、形式分析、数据整理

利益冲突声明

? 作者声明他们不存在已知的可能影响本文所述工作的竞争性经济利益或个人关系。

致谢

作者感谢英国皇家化学学会（基金号：R24-8922516370）的资助。Sarjeet 先生感谢印度教育部提供的总理研究奖学金（PMRF）。

Sarjeet Kumar|Ankush Kumar Patel|Santanu Pradhan