นาโนคริสตัลเพอร์รอฟสไกต์โลหะเฮไลด์กลายเป็นวัสดุที่เหมาะสมอย่างยิ่งสำหรับเทคโนโลยีจอแสดงผล เนื่องจากมีคุณสมบัติทางแสงและอิเล็กทรอนิกส์ที่ยอดเยี่ยม อย่างไรก็ตาม การประสานงานที่อ่อนแอและโครงสร้างสายยาวของลิแกนด์แบบดั้งเดิม (เช่น กรดโอเลอิก/โอเลอิลอะมีน) นำไปสู่ข้อบกพร่องบนพื้นผิวอย่างรุนแรงและการขนส่งพาหะที่จำกัด ซึ่งจำกัดการพัฒนาประสิทธิภาพของไดโอดเปล่งแสงเพอร์รอฟสไกต์ (PeLED) เพื่อแก้ไขปัญหานี้ ทีมวิจัยที่นำโดย Rongjun Xie จากคณะวิทยาศาสตร์และวิศวกรรมวัสดุ มหาวิทยาลัยเซียะเหมิน ได้ตีพิมพ์บทความวิจัยเรื่อง "ลิแกนด์ซิเตรตช่วยปรับปรุงประสิทธิภาพการส่องสว่างของไดโอดเปล่งแสงเพอร์รอฟสไกต์สีเขียว" ในวารสาร *Journal of Luminescence* ทีมวิจัยได้พัฒนาลิแกนด์กรดซิตริก (CA) สายสั้นที่มีคุณสมบัติในการจับคีเลตสูง ซึ่งสร้างพันธะโคออร์ดิเนชันและพันธะไฮโดรเจนหลายพันธะกับพื้นผิวของนาโนคริสตัลผ่านหมู่คาร์บอกซิลิก (-COOH) และหมู่ไฮดรอกซิล (-OH) ทำให้สามารถลดข้อบกพร่องบนพื้นผิวของนาโนคริสตัล CsPbBr3 ได้อย่างมีประสิทธิภาพ ไดโอดเปล่งแสงเพอร์รอฟสไกต์สีเขียวที่สร้างขึ้นโดยใช้กลยุทธ์นี้มีประสิทธิภาพควอนตัมภายนอกสูงสุด (EQE) ที่ 13.58% ซึ่งเป็นวิธีการใหม่ที่มีต้นทุนต่ำและมีประสิทธิภาพสำหรับการปรับแต่งพื้นผิวของเพอร์รอฟสไกต์
กลไกการโต้ตอบของลิแกนด์
ทีมวิจัยได้เลือกใช้กรดซิตริกเป็นลิแกนด์อย่างสร้างสรรค์ โดยนำกรดซิตริกเข้าสู่ระบบนาโนคริสตัลเพอร์รอฟสไกต์ CsPbBr3 ผ่านกระบวนการแลกเปลี่ยนลิแกนด์หลังการสังเคราะห์ กรดซิตริกเป็นลิแกนด์คีเลตแบบหลายตำแหน่ง โดยหมู่คาร์บอกซิลิกและหมู่ไฮดรอกซิลสามารถยึดเกาะกับพื้นผิว CsPbBr3 ได้อย่างมั่นคงผ่านปฏิกิริยาคู่แบบการประสานงานแบบสองตำแหน่งและการพันธะไฮโดรเจน การคำนวณทฤษฎีฟังก์ชันความหนาแน่น (DFT) แสดงให้เห็นว่าพลังงานการดูดซับของลิแกนด์กรดซิตริกสูงถึง -0.39 eV ซึ่งสูงกว่า -0.26 eV ของลิแกนด์กรดโอเลอิก/โอเลอิลอะมีนอย่างมีนัยสำคัญ แสดงให้เห็นถึงความสามารถในการยึดเกาะพื้นผิวที่แข็งแกร่งกว่าในเชิงอุณหพลศาสตร์ การวิเคราะห์ด้วยสเปกโทรสโกปีอินฟราเรดแบบฟูริเยร์ทรานส์ฟอร์มและสเปกโทรสโกปีโฟโตอิเล็กตรอนเอ็กซ์เรย์ยังยืนยันการก่อตัวของพันธะการประสานงานและพันธะไฮโดรเจน ซึ่งช่วยลดข้อบกพร่องบนพื้นผิวของนาโนคริสตัลเพอร์รอฟสไกต์ได้อย่างมีประสิทธิภาพ
รูปที่ 1: กลไกการโต้ตอบระหว่างนาโนคริสตัล CsPbBr3 และลิแกนด์บนพื้นผิว
การปรับปรุงคุณสมบัติทางแสงของนาโนคริสตัลหลายด้าน
การปรับปรุงโครงสร้างด้วยลิแกนด์กรดซิตริกช่วยเพิ่มประสิทธิภาพด้านรูปร่างและคุณสมบัติทางแสงของนาโนคริสตัลเพอร์รอฟสไกต์ CsPbBr3 อย่างครอบคลุม ในด้านรูปร่าง นาโนคริสตัล CsPbBr3 ที่ได้รับการปรับปรุงยังคงรักษารูปทรงลูกบาศก์ทั่วไปไว้ โดยมีขนาดเฉลี่ยที่สม่ำเสมอยิ่งขึ้นและมีการกระจายขนาดที่ดีขึ้นอย่างเห็นได้ชัด ซึ่งเป็นการวางรากฐานโครงสร้างสำหรับการเพิ่มประสิทธิภาพทางแสง
ในแง่ของประสิทธิภาพทางแสง นาโนคริสตัลที่ได้รับการดัดแปลงแสดงคุณลักษณะที่ยอดเยี่ยม จุดสูงสุดของการปล่อยแสงคงที่ที่ 513 นาโนเมตร โดยความกว้างเต็มที่ที่ครึ่งค่าสูงสุด (FWHM) แคบลงเหลือ 19.7 นาโนเมตร ประสิทธิภาพควอนตัมของการเรืองแสง (PLQY) เพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญจาก 67.1% เป็น 95.5% และอัตราการรวมตัวใหม่แบบไม่แผ่รังสีลดลงจาก 68.5 μs−1 เป็น 5.4 μs−1 ซึ่งแสดงให้เห็นถึงการลดข้อบกพร่องอย่างมีนัยสำคัญ ในขณะเดียวกัน ลิแกนด์กรดซิตริกยังช่วยปรับปรุงเสถียรภาพทางความร้อนของวัสดุ แม้ที่อุณหภูมิ 100℃ นาโนคริสตัลยังคงรักษาความเข้มของการเรืองแสงเริ่มต้นไว้ได้สูง และพลังงานการยึดเหนี่ยวของเอ็กซิตอนเพิ่มขึ้นเป็น 145.3 meV ผลกระทบของการยึดเหนี่ยวของเอ็กซิตอนที่เพิ่มขึ้นนี้ทำให้มั่นใจได้ว่าระบบยังคงรักษาเส้นทางการรวมตัวใหม่ที่เอ็กซิตอนเป็นหลักภายใต้สภาวะอุณหภูมิสูง จึงทำให้เกิดการปรับปรุงร่วมกันทั้งในด้านเสถียรภาพทางความร้อนและประสิทธิภาพการเรืองแสง
รูปที่ 2: ลักษณะทางสัณฐานวิทยาและคุณสมบัติทางแสงของนาโนคริสตัล CsPbBr3
ประสิทธิภาพของไดโอดเปล่งแสงเพอร์รอฟสไกต์สีเขียวได้รับการปรับปรุงอย่างมีนัยสำคัญ
ทีมวิจัยได้สร้างไดโอดเปล่งแสงเพอร์รอฟสไกต์สีเขียวโดยใช้ผลึกนาโน CsPbBr3 ที่ดัดแปลงด้วยกรดซิตริก โดยมีโครงสร้าง ITO/NiOx/Poly−TPD/CsPbBr3/TPBi/LiF/Al ซึ่งส่งผลให้ประสิทธิภาพการเปล่งแสงของอุปกรณ์ดีขึ้นอย่างมาก อุปกรณ์นี้แสดงจุดสูงสุดของการเปล่งแสงที่ 517 นาโนเมตร และพิกัดสี CIE ที่ (0.099, 0.755) ซึ่งสูงกว่ามาตรฐานแสงสีเขียวของขอบเขตสีคณะกรรมการระบบโทรทัศน์แห่งชาติ (NTSC) อย่างมาก แสดงให้เห็นถึงความบริสุทธิ์ของสีที่ยอดเยี่ยม ความสว่างสูงสุดเพิ่มขึ้นเป็น 1208 cd/m² และประสิทธิภาพควอนตัมภายนอกสูงสุด (EQE) สูงถึง 13.58% ซึ่งสูงกว่าระบบทั่วไปถึง 2.9 เท่า ประสิทธิภาพกระแสไฟฟ้าสูงสุดก็ได้รับการปรับปรุงเป็น 42.93 cd/A เช่นกัน การปรับปรุงประสิทธิภาพนี้เกิดจากการปิดกั้นข้อบกพร่องอย่างมีประสิทธิภาพผ่านการปรับแต่งลิแกนด์บนพื้นผิว การปรับเปลี่ยนเส้นทางการรวมตัวของพาหะ และการปรับสมดุลการขนส่งให้เหมาะสมที่สุด
