Verrijking van verankeringsplaatsen via supramoleculaire halogeenbindingen voor efficiënte perovskiet nanokristal-LED’s

Colloïdale halfgeleidernanodeeltjes kunnen worden gezien als een complex van een anorganische monokristallijne kern en een monolaag van organische liganden. De locatie en het type ligandverankering op het nanokristaloppervlak zijn van cruciaal belang voor de nanokristalmorfologie, grootte, bindingspatronen, adsorptie-desorptieprocessen en algehele stabiliteit, opto-elektronische eigenschappen, enz.

Vooral in de perovskiet-nanokristallen (PNC’s) met de aard van zachte roosters heeft de bindingsomgeving van functionele ligandgroepen een cruciale rol gespeeld bij het bepalen van de opto-elektronische eigenschappen en stabiliteit van PNC’s.

De interactie tussen functionele groepen en ankerplaatsen, evenals de synergetische en afstotende eigenschappen tussen functionele groepen, zijn echter nog niet volledig begrepen, wat het geïdealiseerde ontwerp van hoogwaardige PNC-materialen en -apparaten belemmert.

In een recente papier gepubliceerd in Licht: wetenschap en toepassingenheeft een team van wetenschappers, onder leiding van professor Yu Zhang, van het State Key Laboratory of Integrated Optoelectronics en College of Electronic Science and Engineering, Jilin University, China en collega’s nieuwe ankerplaatsen (supramoleculaire halogeenbindingen) op het oppervlak van perovskiet onthuld nanokristallen (PNC’s) door gebruik te maken van het klassieke trifenylfosfine (TPP)-ligand en zijn derivaat 2-(difenylfosfino)-bifenyl (DPB).

“Het is gebleken dat P en I, naast de conventioneel beschouwde P-Pb-coördinatie-interactie, ook een onverwachte halogeenbindingsinteractie kunnen vormen.” De auteurs hebben dit diepgaand gekarakteriseerd door kernmagnetische resonantiespectroscopie, Fourier-transformatie-infraroodspectroscopie (FTIR) en röntgenfoto-elektronenspectroscopie te combineren.

“Er is een chemische verschuiving in TPP-CsPbI₃ vergeleken met TPP, wat aangeeft dat de P-bevattende functionele groepen in TPP een interactie aangaan met het oppervlak van CsPbI₃ PNC’s, resulterend in een verandering in de coördinatieomgeving van P.

“Het FTIR-spectrum van TPP-gepassiveerde PNC’s vertoont ook twee extra pieken 2 en 3, maar deze verschuiven naar 542 cm^-1 en 1120 cm^-1respectievelijk. Dit suggereert dat de I^…P-supramoleculaire interactie in TPP-gepassiveerde CsPbI₃ PNC’s zijn vergelijkbaar maar niet identiek aan die van TPP-I2, wat wordt toegeschreven aan de verschillende chemische omgeving van I-atomen in I₂ en CsPbI₃.

“De Pb 4f-spectra van TPP- en DPB-gepassiveerde PNC-films verschuiven naar de hogere bindingsenergie vanwege de sterke binding tussen de Pb- en P-functionele groepen. De I 3d-spectra van TPP- en DPB-gepassiveerde PNC-films verschuiven naar de lagere bindingsenergie, die kan worden beschouwd als het resultaat van de interactie van het nucleofiele atoom P in TPP of DPP met de I in PNC’s om elektronen te geven aan het elektrofiele gebied van I”, aldus de onderzoekers.

Het naast elkaar bestaan ​​van de bovengenoemde twee soorten bindingen verhoogde de vormingsenergie van jodium-vacancy-defecten aanzienlijk en verbeterde de fotoluminescentie-kwantumopbrengst van PNC’s. Ondertussen verbeterde de directe interactie van P en I de stabiliteit van de Pb-I-octaëders en remde dramatisch de migratie van I-ionen.

Daarnaast wordt ook de geconjugeerde aard van benzeenringen onderzocht, wat aangeeft dat de introductie van extra benzeenringen (DPB) de gedelokaliseerde eigenschappen van het PNC-oppervlak verhoogt en het ladingstransport tussen PNC’s aanzienlijk verbetert.

“Uiteindelijk bereikten de op PNC gebaseerde top-emitting LED’s van BPB een piek-EQE van 22,8% en een extreem lage efficiëntie-roll-off van 2,6% bij een stroomdichtheid van 500 mA cm3.^-2”, voegde ze eraan toe.

“De selectie van multifunctionele verankeringslocaties biedt een nieuwe strategie voor het verbeteren van de opto-elektronische eigenschappen van PNC’s en apparaten”, voorspellen de wetenschappers.