Metal halojenür perovskit nanokristaller, mükemmel optoelektronik özellikleri nedeniyle ekran teknolojisi için ideal aday malzemeler haline gelmiştir. Bununla birlikte, geleneksel ligandların (oleik asit/oleilamin gibi) zayıf koordinasyonu ve uzun zincirli yapısı, ciddi yüzey kusurlarına ve sınırlı taşıyıcı iletimine yol açarak perovskit ışık yayan diyot (PeLED) performansının iyileştirilmesini kısıtlamaktadır. Bu sorunu ele almak için, Xiamen Üniversitesi Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Okulu'ndan Rongjun Xie liderliğindeki ekip, *Journal of Luminescence* dergisinde "Sitrat Ligandı Yeşil Perovskit Işık Yayan Diyotların Işık Verimliliğini Artırıyor" başlıklı bir araştırma makalesi yayınladı. Araştırma ekibi, karboksilik asit grubu (-COOH) ve hidroksil grubu (-OH) aracılığıyla nanokristal yüzeyiyle çoklu koordinasyon bağları ve hidrojen bağları oluşturan kısa zincirli, güçlü şelatlayıcı bir sitrik asit (CA) ligandı geliştirdi ve böylece CsPbBr3 nanokristallerindeki yüzey kusurlarının etkili bir şekilde pasifleştirilmesini sağladı. Bu stratejiye dayalı olarak üretilen yeşil perovskit ışık yayan diyot, %13,58'lik en yüksek harici kuantum verimliliğine (EQE) ulaşarak, perovskit yüzey manipülasyonu için düşük maliyetli ve verimli yeni bir çözüm sunmuştur.
Ligand Etkileşim Mekanizması
Araştırma ekibi, yenilikçi bir yaklaşımla sitrik asidi ligand olarak seçti ve sentez sonrası ligand değişimi süreciyle CsPbBr3 perovskit nanokristal sistemine dahil etti. Çok dişli bir şelatlayıcı ligand olan sitrik asidin karboksilik asit ve hidroksil grupları, çift dişli koordinasyon ve hidrojen bağı etkileşimi yoluyla CsPbBr3 yüzeyine kararlı bir şekilde bağlanabilir. Yoğunluk fonksiyonel teorisi (DFT) hesaplamaları, sitrik asit ligandının adsorpsiyon enerjisinin -0,39 eV'ye ulaştığını, oleik asit/oleilamin ligandının -0,26 eV'sinden önemli ölçüde daha yüksek olduğunu ve termodinamik olarak daha güçlü yüzey bağlanma yeteneğini gösterdiğini ortaya koydu. Fourier dönüşümlü kızılötesi spektroskopisi ve X-ışını fotoelektron spektroskopisi, koordinasyon bağlarının ve hidrojen bağlarının oluşumunu daha da doğrulayarak perovskit nanokristallerindeki yüzey kusurlarının etkili bir şekilde pasifleştirilmesini sağladı.
Şekil 1: CsPbBr3 nanokristalleri ile yüzey ligandları arasındaki etkileşim mekanizması
Nanokristal optik özelliklerinin çoklu optimizasyonu
Sitrik asit ligandlarıyla yapılan modifikasyon, CsPbBr3 perovskit nanokristallerinin morfolojisini ve optik özelliklerini kapsamlı bir şekilde geliştirir. Morfolojik olarak, modifiye edilmiş CsPbBr3 nanokristalleri, daha homojen bir ortalama boyut ve önemli ölçüde iyileştirilmiş boyut dağılımı konsantrasyonu ile tipik kübik fazlarını koruyarak, gelişmiş optik performans için yapısal bir temel oluşturur.
Optik performans açısından, modifiye edilmiş nanokristaller mükemmel özellikler sergilemektedir. Emisyon tepe noktası 513 nm'de sabitlenirken, yarı maksimumdaki tam genişlik (FWHM) 19,7 nm'ye daralmaktadır; fotolüminesans kuantum verimliliği (PLQY) %67,1'den %95,5'e önemli ölçüde artmakta ve radyasyonsuz rekombinasyon oranı 68,5 μs−1'den 5,4 μs−1'e düşerek önemli bir kusur pasifleştirmesi göstermektedir. Bu arada, sitrik asit ligandı malzemenin termal kararlılığını da iyileştirmiştir. 100℃'de bile nanokristaller yüksek bir başlangıç floresans yoğunluğunu korumuş ve eksiton bağlanma enerjisi 145,3 meV'ye yükselmiştir. Bu gelişmiş eksiton bağlanma etkisi, sistemin yüksek sıcaklık koşullarında eksiton baskın rekombinasyon yolunu korumasını sağlayarak, termal kararlılık ve lüminesans verimliliğinde sinerjik bir iyileşme sağlamıştır.
Şekil 2: CsPbBr3 nanokristallerinin morfolojisi ve optik özellikleri
Yeşil perovskit ışık yayan diyot verimliliği önemli ölçüde iyileştirildi.
Araştırma ekibi, sitrik asit ile modifiye edilmiş CsPbBr3 nanokristallerini temel alarak, ITO/NiOx/Poly−TPD/CsPbBr3/TPBi/LiF/Al yapısına sahip yeşil bir perovskit ışık yayan diyot geliştirdi ve cihazın elektrolüminesans performansında önemli bir iyileşme sağladı. Cihaz, 517 nm'de bir elektrolüminesans tepe noktası ve (0.099, 0.755) CIE renk koordinatları sergileyerek, Ulusal Televizyon Sistemleri Komitesi (NTSC) renk gamının yeşil ışık standardını çok aşmakta ve mükemmel renk saflığı göstermektedir. Tepe parlaklığı 1208 cd/m²'ye, tepe dış kuantum verimliliği (EQE) ise %13,58'e ulaşarak geleneksel sistemlerin 2,9 katına çıkmıştır. Tepe akım verimliliği de 42,93 cd/A'ya yükseltilmiştir. Bu performans iyileşmesi, yüzey ligand mühendisliği yoluyla kusurların etkili bir şekilde pasifleştirilmesine, taşıyıcı rekombinasyon yollarının modülasyonuna ve taşıma dengelerinin optimizasyonuna bağlanmaktadır.
