Anreicherung von Verankerungsstellen über supramolekulare Halogenbindungen für effiziente Perowskit-Nanokristall-LEDs

Kolloidale Halbleiternanopartikel können als Komplex aus einem anorganischen Einkristallkern und einer Monoschicht organischer Liganden betrachtet werden. Der Ort und die Art der Ligandenverankerung auf der Nanokristalloberfläche sind entscheidend für die Nanokristallmorphologie, -größe, Bindungsmuster, Adsorptions-Desorptionsprozesse sowie die Gesamtstabilität, optoelektronische Eigenschaften usw.

Insbesondere bei den Perowskit-Nanokristallen (PNCs) mit der Natur weicher Gitter hat die Bindungsumgebung der funktionellen Ligandengruppen eine entscheidende Rolle bei der Bestimmung der optoelektronischen Eigenschaften und der Stabilität von PNCs gespielt.

Allerdings sind die Wechselwirkung zwischen funktionellen Gruppen und Verankerungsstellen sowie die synergistischen und abstoßenden Eigenschaften zwischen funktionellen Gruppen noch nicht vollständig verstanden, was das idealisierte Design von Hochleistungs-PNC-Materialien und -Geräten behindert.

In einem aktuellen Papier veröffentlicht in Licht: Wissenschaft und Anwendungenein Team von Wissenschaftlern unter der Leitung von Professor Yu Zhang vom State Key Laboratory of Integrated Optoelectronics and College of Electronic Science and Engineering, Jilin University, China, und Kollegen haben neue Verankerungsstellen (supramolekulare Halogenbindungen) auf der Oberfläche von Perowskit entdeckt Nanokristalle (PNCs) unter Verwendung des klassischen Triphenylphosphin (TPP)-Liganden und seines Derivats 2-(Diphenylphosphino)-biphenyl (DPB).

„Es wurde festgestellt, dass P und I zusätzlich zu der herkömmlich betrachteten P-Pb-Koordinationswechselwirkung auch eine unerwartete Halogenbindungswechselwirkung eingehen können.“ Die Autoren haben dies eingehend charakterisiert, indem sie Kernspinresonanzspektroskopie, Fourier-Transformations-Infrarotspektroskopie (FTIR) und Röntgenphotoelektronenspektroskopie kombiniert haben.

„Es gibt eine chemische Verschiebung bei TPP-CsPbI3 im Vergleich zu TPP, was darauf hindeutet, dass die P-haltigen funktionellen Gruppen in TPP mit der Oberfläche von CsPbI3-PNCs interagieren, was zu einer Änderung der Koordinationsumgebung von P führt.“

„Das FTIR-Spektrum von TPP-passivierten PNCs zeigt auch zwei zusätzliche Peaks 2 und 3, aber sie verschieben sich zu 542 cm-1 bzw. 1120 cm-1. Dies legt nahe, dass die supramolekulare I…P-Wechselwirkung in TPP-passivierten CsPbI3-PNCs vorliegt ist dem von TPP-I2 ähnlich, aber nicht identisch, was auf die unterschiedliche chemische Umgebung der I-Atome in I2 und CsPbI3 zurückzuführen ist.

„Die Pb 4f-Spektren von TPP- und DPB-passivierten PNC-Filmen verschieben sich aufgrund der starken Bindung zwischen den funktionellen Pb- und P-Gruppen zur höheren Bindungsenergie. Die I 3d-Spektren von TPP- und DPB-passivierten PNC-Filmen verschieben sich zur niedrigeren Bindungsenergie kann als Ergebnis der Wechselwirkung des nukleophilen Atoms P in TPP oder DPP mit dem I in PNCs angesehen werden, um Elektronen an den elektrophilen Bereich von I abzugeben“, erklären die Forscher.

Die Koexistenz der beiden oben genannten Bindungsarten erhöhte die Bildungsenergie von Iod-Leerstellendefekten erheblich und verbesserte die Photolumineszenz-Quantenausbeute von PNCs. Unterdessen erhöhte die direkte Wechselwirkung von P und I die Stabilität der Pb-I-Oktaeder und hemmte die Migration von I-Ionen drastisch.

Darüber hinaus wird auch die konjugierte Natur von Benzolringen untersucht, was darauf hindeutet, dass die Einführung zusätzlicher Benzolringe (DPB) die delokalisierten Eigenschaften der PNC-Oberfläche erhöht und den Ladungstransport zwischen PNCs deutlich verbessert.

„Schließlich erreichten die BPB-passivierten PNC-basierten, oben emittierenden LEDs einen Spitzen-EQE von 22,8 % und einen extrem geringen Wirkungsgradabfall von 2,6 % bei einer Stromdichte von 500 mA cm-2“, fügten sie hinzu.

„Die Auswahl multifunktionaler Verankerungsstellen bietet eine neue Strategie zur Verbesserung der optoelektronischen Eigenschaften von PNCs und Geräten“, prognostizieren die Wissenschaftler.