Разработан перовскитный светоизлучающий диод (PeLED) с высочайшей в мире эффективностью

Перовскиты привлекли большое внимание как материалы для дисплеев нового поколения благодаря своей высокой эффективности, яркому цветовому излучению и совместимости с существующими процессами производства органических светодиодов, что позволяет внедрять их без масштабных инвестиций в оборудование. Однако в традиционных процессах вакуумного напыления кристаллизация не контролируется термодинамически, что приводит к быстрому и неравномерному росту кристаллов.

Чтобы решить эту проблему, исследовательская группа ввела органические молекулы-спейсеры X-типа для создания нового квазидвумерного перовскитного излучателя X-типа, обеспечивающего термодинамически контролируемый рост кристаллов на подложке и формирование однородной излучающей фазы, благоприятной для высокоэффективного светоизлучения. Кроме того, команда разработала гетероструктуру, которая способствует селективному росту кристаллической фазы, что обеспечивает возможность точного контроля кристаллизации при вакуумном напылении. В результате команда создала перовскитные светодиоды с высокой эффективностью излучения и чистотой цвета.

Результаты исследования были опубликованы 1 июля в журнале Nature Nanotechnology.

Перовскиты (обычно с трехмерной структурой ABX₃, где A — катион, B — катион металла, а X — анион галогена) становятся перспективными материалами для дисплеев следующего поколения благодаря высокой чистоте цвета, превосходной эффективности излучения, низкой стоимости материала и совместимости с процессами вакуумного осаждения — в отличие от обычных квантовых точек. Однако одной высокой эффективности недостаточно для промышленного применения. Производство дисплеев большой площади, формирование однородной тонкой пленки, точный контроль толщины и формирование пиксельной структуры — все это должно соответствовать существующим процессам производства дисплеев.

В настоящее время в производстве OLED-дисплеев широко используется вакуумное напыление. Если перовскиты можно будет производить с помощью этого метода, совместимость с существующей инфраструктурой значительно повысит потенциал их коммерциализации.

Однако вакуумное осаждение перовскита включает в себя сложные одновременные реакции нескольких прекурсоров на подложке с образованием кристаллов. Когда этот процесс становится слишком быстрым и сложным, могут образовываться несколько кристаллических фаз, что приводит к неоднородности пленок и снижению эффективности излучения и чистоты цвета.

Таким образом, помимо простой оптимизации процесса, для коммерциализации необходима новая стратегия разработки материалов, способная контролировать процесс формирования кристаллов перовскита.

Чтобы решить эти проблемы, команда разработала новый квазидвумерный перовскитный излучатель X-типа, отличающийся от обычных квазидвумерных структур, методом вакуумного напыления. Это новый материал и новая технология производства для создания высокооднородных, высокоэффективных светодиодов с высокой чистотой цвета

Исследователи ввели молекулы-спейсеры X-типа, которые во время кристаллизации прочно координируются с центральными ионами свинца, подавляя беспорядочный рост кристаллов и способствуя избирательному формированию наиболее энергетически стабильной кристаллической фазы. Это позволило разработать стратегию термодинамической стабилизации фазы, которая направляет формирование нужной фазы в процессе осаждения.

Кроме того, команда исследователей разработала наноразмерный гетероскелет, химически связав молекулы-спейсеры X-типа с фторидом лития (LiF). Такая структура предотвращает хаотичный рост кристаллов перовскита и способствует равномерной кристаллизации по всей пленке.

Благодаря этому подходу ученые добились получения тонких пленок перовскита с квантовым выходом фотолюминесценции (PLQY), превышающим 85%. Полученные перовскитные светодиоды продемонстрировали внешнюю квантовую эффективность (EQE) 21,9% и узкую ширину спектральной линии излучения 16,8 нм, что свидетельствует как о высокой эффективности, так и об отличной чистоте цвета — это лучшие в мире показатели среди перовскитных светодиодов, полученных методом осаждения из паровой фазы.

Исследователи также подтвердили, что эти PeLED можно изготавливать на подложках большой площади, гибких платформах и структурированных структурах, что подчеркивает их применимость в производстве реальных дисплеев.

Это исследование открывает новые возможности для коммерциализации перовскитных дисплеев, решая ключевую проблему при осаждении из паровой фазы — отсутствие контроля термодинамической фазы во время роста пленки — и позволяя получать однородные высокоэффективные излучатели с высокой чистотой цвета.

В частности, квазидвумерный перовскит X-типа, разработанный в рамках этой работы, представляет собой принципиально новую стратегию создания материала, которая позволяет контролировать сам процесс кристаллизации, а не просто добавлять материал. Эта стратегия устраняет основные недостатки традиционного вакуумного осаждения, в том числе неоднородность пленки, низкую чистоту цвета и смешение фаз.

Полученные результаты имеют большое значение для промышленности. Учитывая, что вакуумное напыление уже является основным процессом при производстве OLED-дисплеев, эта технология обеспечивает высокую совместимость с существующей инфраструктурой, сокращая капитальные вложения по сравнению с переходом от ЖК-дисплеев к OLED-дисплеям. Кроме того, эта технология обеспечивает высокую эффективность даже при сверхмалом размере пикселей, что делает ее подходящей для дисплеев сверхвысокого разрешения, микродисплеев дополненной и виртуальной реальности, слоев преобразования цвета следующего поколения и излучающих устройств.