Ce3+掺杂调制CsPbBr3纳米晶光致发光动力学提升钙钛矿发光二极管的性能|安博体育入口官方最新版
铅卤化物钙钛矿纳米晶体（NCs）被指出是用作发光二极管（LED）的下一代闪烁层材料。CsPbBr3纳米晶作为典型的全无机卤化铅钙钛矿纳米晶，与有机-无机杂化卤化铅钙钛矿纳米晶比起，它们具备低的热稳定性、较低湿度敏感性、高色纯度和小尺寸激子约束引发的有效地电磁辐射填充，因而受到了普遍的注目。目前，CsPbBr3纳米晶的组分以及带上隙调控可以通过制备后的较慢阴离子互相交换来构建，同时保有纳米晶本身的尺寸和形貌，因此CsPbBr3纳米晶的多样制备技术大大增进了它们的广泛应用。
成果概述近日，来自中国科学技术大学的姚宏斌（通讯作者）、张群（联合通讯作者）课题组和南京理工大学的曾海波（联合通讯作者）课题组合作在J.Am.Chem.Soc.公开发表了为题Ce3+-DopingtoModulatePhotoluminescenceKineticsforEfficientCsPbBr3NanocrystalsBasedLight-EmittingDiodes的论文，报导了通过非常简单的热流经法掺入Ce3+离子来提升CsPbBr3纳米晶的光/电致发光效率的研究工作。由于Ce3+离子的离子半径与Pb2+离子相似，并且与溴离子轨道变换构成的导带能级比起于CsPbBr3本征的能级更高，因此Ce3+离子需要掺入到CsPbBr3纳米晶中，并维持钙钛矿结构的完整性且会引进额外的陷阱态。基于此，他们找到通过将CsPbBr3纳米晶中Ce3+的掺入量提升到2.88%时，CsPbBr3纳米晶的光致发光量子产率（PLQY）超过89%，超快瞬态吸取（fs-TA）和时间辨别光致发光（PL）光谱表明Ce3+掺入可以有效地调制CsPbBr3纳米晶的闪烁动力学，进而提升纳米晶的PLQY。
同时，使用掺入Ce3+的CsPbBr3纳米晶作为闪烁层制取的LED器件，与未掺入的CsPbBr3纳米晶比起，器件的外量子效率（EQE）从1.6%提升到了4.4%。图文简介图1：Ce3+掺入和并未掺入的CsPbBr3纳米晶的微观形貌及其光谱图a-b:Ce3+掺入和并未掺入的CsPbBr3纳米晶的TEM图像以及插画中表明的适当HRTEM图像。
c:Ce3+掺入的CsPbBr3纳米晶的HAADF-STEM图像。d-g:Cs，Pb，Br和Ce在Ce3+掺入的CsPbBr3纳米晶中的元素产于图像。h:Ce3+掺入和并未掺入的CsPbBr3纳米晶的PXRD谱图，插画表明了适当的晶体结构模型。
i:掺入和并未掺入的CsPbBr3纳米晶的UV-vis吸取和PL光谱，插画表明了在紫外光太阳光下（365nm）在甲苯中适当的纳米晶集中液的照片。图2：有所不同掺入Ce3+量的CsPbBr3纳米晶的结构和光谱密切相关a:使用有所不同CeBr3前驱体浓度掺入Ce3+的CsPbBr3纳米晶的PXRD图，插画表明了在红外线和紫外光（365nm）太阳光下适当胶体集中液样品的照片；b:左图：Ce/Pb比与CeBr3前驱体浓度的关系图；右图：具备有所不同Ce/Pb比的掺入和并未掺入的CsPbBr3纳米晶的紫外可见吸收光谱；c:左图：具备有所不同Ce/Pb比掺入和并未掺入的CsPbBr3纳米晶的PL光谱（在365nm唤起），右图：PLQY与CeBr3前驱物浓度关系图。图3：对被调制的PL动力学的机理理解a:并未掺入Ce3+的CsPbBr3纳米晶的fs-TA序（左）及其波动关联谱分析（右）；b:掺入Ce3+的CsPbBr3纳米晶的fs-TA序（左）及其波动关联谱分析（右）；c:所牵涉到的光物理过程和机制的示意图，其中VB、CB、X1和Xn分别回应价带、导带、低于激子态和较高激子态，TS回应带上隙陷阱态，而星号则回应CB带上边附近由Ce3+掺入所引发的态；d:PL平均寿命与PLQY结果的趋势较为（横坐标是按CeBr3比率所给的掺入浓度）。
图4：基于Ce3+掺入CsPbBr3纳米晶的LED结构与性能a:LED的器件结构；c:产生电压为5V时的EL光谱以及集中在甲苯溶液中时未掺入的CsPbBr3纳米晶和Ce3+掺入的CsPbBr3纳米晶的适当PL发射光谱，插画表明产生电压为5V时适当器件的照片；d:基于并未掺入的CsPbBr3纳米晶和Ce3+掺入的CsPbBr3纳米晶的LED亮度对驱动电压特性；e:LED器件的电流效率与电流密度的关系；f:LED器件的EQE与驱动电压（V）的关系。小结该团队通过热流经法将异价Ce3+离子掺入到胶体CsPbBr3纳米晶中以调制纳米晶的闪烁动力学进而强化PLQY，并构建了高效LED的制取。通过超快瞬态吸取（fs-TA）和时间辨别PL光谱来阐述了PL强化效应的机制。
他们使用CsPbBr3纳米晶体作为闪烁层建构的LED器件在Ce3+掺入的协助下，外量子效率从1.6％提升到4.4％。他们的研究指出镧系元素离子掺入到钙钛矿纳米晶中可以更进一步构建对这类新型半导体纳米晶性能的多样化调控。
中国科学技术大学的二年级硕士生姚纪松，博士后葛晶和南京理工大学的二年级博士生韩博宁为该论文的联合第一作者。
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