Бесвинтовые Bi-донированные Cs₂SnCl₆ и Mn-донированные CsPbCl₃ квантовые точки обеспечивают высокостабильные высокоэффективные белые светодиоды

Аннотация

Квантовые точки (КТ) перовскита славятся своим исключительным квантовым выходом, настраиваемой запрещенной зоной и легкостью синтеза, делая их идеальными для белых светодиодов (WLED). Однако йодсодержащие красные КТ страдают от фотохимической нестабильности. Здесь мы демонстрируем WLED, комбинирующий бесвинтовые Bi-донированные Cs₂SnCl₆ (синий) и Mn-донированные CsPbCl₃ (оранжевый) КТ. Устройство излучает белый свет с хроматичностью (0,334, 0,297), коррелированной цветовой температурой 5311 К и индексом цветопередачи (CRI) 80. Оба семейства КТ демонстрируют отличную воздушно-стабильность, и полученный WLED сохраняет >90% яркости после 300 ч непрерывной работы, устанавливая новый эталон для неорганических перовскитных светодиодов.

Введение

Белые светодиоды (WLED) — будущее твердотельного освещения, предлагающее превосходную энергоэффективность, долгий срок службы и высокую светоэффективность. КТ-светодиоды (QD-LED) возникли как убедительная платформа благодаря их высокому фотолюминесцентному квантовому выходу (PLQY) и спектральной настраиваемости. Перовскитные КТ в частности достигают PLQY выше 90% и могут быть синтезированы при низкой температуре, но их широкое использование ограничено нестабильностью йодсодержащих композиций и токсичностью свинца. Недавние работы показали, что легирование перовскитов менее токсичными элементами такими как висмут (Bi) или марганец (Mn) может сохранять или даже усиливать оптическую производительность, смягчая экологические опасения. Это исследование вводит два бесвинтовых перовскитных КТ — Bi-донированные Cs₂SnCl₆ и Mn-донированные CsPbCl₃ — излучающие синий и оранжевый свет соответственно. Оба КТ разделяют один и тот же хлоридный анион, предотвращая анион-обменные реакции при сборке устройства. Полученный WLED демонстрирует отличное качество цвета, высокую светоэффективность и рекордную операционную стабильность.

Методы

Материалы и химикаты

Высокочистый карбонат цезия, хлорид свинца, хлорид цезия, олеиновая кислота, 1-октадецен, тетрагидрат хлорида марганца, олеиламин, хлорид олова, хлорид висмута, PMMA, соляная кислота, метанол, толуол, этилацетат и гексан закупали у Alfa Aesar, Aladdin, Macklin, Sinopharm, Kermel, Concord и Пекинской химической фабрики соответственно.

Процессы синтеза

Подготовка Cs-олеата

Cs-олеат готовили по протоколу Коваленко: 0,8 г Cs₂CO₃, 2,5 мл олеиновой кислоты и 30 мл 1-октадецена нагревали под азотом до 150 °C до полного растворения.

Mn-донированные CsPbCl₃ КТ

Горячим инъекционным методом комбинировали PbCl₂ (0,0615 г), MnCl₂·(H₂O)₄ (0,08 г), олеиламин, олеиновую кислоту и ODE и нагревали до 180 °C. После инъекции сушеных лигандов и 0,4 мл Cs-олеата смесь охлаждали в ледяной бане. КТ выпадали гексан/этилацетат (1:3) и очищали центрифугированием.

Bi-донированные Cs₂SnCl₆

CsCl (0,337 г), SnCl₂ (0,189 г), BiCl₃ (0,032 г) и 4 мл 37% HCl герметизировали в тефлоновом автоклаве и нагревали при 220 °C в течение 20 ч. Полученные белые кристаллы собирали центрифугированием.

Фабрикация LED

Коммерческие 365 нм УФ чипы последовательно покрывали PMMA/толуол дисперсией Bi-донированных Cs₂SnCl₆, затем Mn-донированными CsPbCl₃ КТ. После вращательного покрытия пленки выдерживали при комнатной температуре 30 мин.

Характеризация

Поглощения спектры записывали на Shimadzu UV-2550; флуоресценция — на Ocean Optics спектрометре. PLQY измеряли интегрирующей сферой (FLS920P). Структурный анализ использовал TEM (FEI Tecnai G2), SEM/EDX (Quanta 450 FEG) и XRD (Bruker D8). Временнно-разрешенная PL (TRPL) выполняли на Edinburgh FLS920. Электролюминесценция (EL) и светоэффективность измеряли системой ATA-1000.

Результаты и обсуждение

Bi-донированные Cs₂SnCl₆. Поглощение пик на ~375 нм, с PL максимумом на 465 нм (FWHM 65 нм) и PLQY 76%. Материал сохранял PL интенсивность после 300 ч УФ экспозиции и оставался стабильным три месяца в окружающем воздухе.

Mn-донированные CsPbCl₃. Край поглощения на ~400 нм давал двойные PL пики на 405 нм (хост) и 595 нм (Mn²⁺ d-d переход, FWHM ~80 нм). PLQY достигал 52%. КТ сохраняли фотолюминесценцию более трех месяцев под обычными условиями.

TRPL времена жизни составляли 375 нс для Bi-донированных Cs₂SnCl₆ и 1,7 мс для Mn-донированных CsPbCl₃, подтверждая ожидаемые быстрые и медленные каналы излучения соответственно.

SEM/TEM и EDX подтвердили кристаллическую фазу и стехиометрию обоих КТ. Оптимальное Mn легирование (6,45 мг/мл) максимизировало PL интенсивность без влияния на спектральную ширину, сохраняя стабильную хроматичность (0,535, 0,460).

WLED Производительность. Собранное устройство демонстрировало два отдельных EL пика, соответствующие синему и оранжевому излучателям. При 15 мА цветовые координаты были (0,334, 0,297) с CCT 5311 К и CRI 80. Светоэффективность достигла 20,8 лм/Вт и светосилы 78 ккд/м². EL интенсивность линейно масштабировалась с током до 120 мА без спектрального смещения, указывая на надежную термическую стабильность.

Долгосрочное тестирование показало менее 10% потерь после 300 ч непрерывной работы, с полужизнью 3000 ч — значительно превосходя йод-базированные перовскитные светодиоды. При 15 мА PL интенсивность оставалась на 99% после 50 ч и 97% после 100 ч.

Заключение

Комбинируя Bi-донированные Cs₂SnCl₆ (синий) и Mn-донированные CsPbCl₃ (оранжевый) КТ, мы изготовили бесвинтовый WLED, доставляющий высокое качество цвета (CRI 80), высокую светоэффективность (20,8 лм/Вт) и исключительную операционную стабильность (полужизнь 3000 ч). Общий хлоридный анион устраняет анион-обменную деградацию, в то время как бесвинтовый состав адресует экологические опасения. Эти находки прокладывают путь к масштабируемым, устойчивым белым световым технологиям на основе неорганических перовскитных квантовых точек.

Аббревиатуры

QDs:

Квантовые точки

WLEDs:

Белые светодиоды

QY:

Квантовый выход

PL:

Фотолюминесценция

TRPL:

Временнно-разрешенная фотолюминесцентная спектроскопия

SEM:

Сканирующий электронный микроскоп

EDX:

Энергодисперсная рентгеновская спектроскопия

XRD:

Рентгеновская дифракция

FWHM:

Полная ширина на полувысоте

EL:

Электролюминесценция