掺杂Yb3+/Er3+的CsPbCl3纳米晶体用于1.54微米发光二极管

《Materials Science in Semiconductor Processing》：Yb3+/Er3+ Co-doped CsPbCl3 nanocrystals for 1.54-μm light-emitting diodes

　　

张晓东|张连荣|陈凯明|王一涛|张立龙|张琳琳

中国海南省三亚市海南热带海洋大学海洋信息工程学院，572022

摘要

掺镧钙钛矿纳米晶体（NCs）已成为在电信波长下具有吸引力的发光材料。然而，实现高效的镧元素掺杂通常需要较高的合成温度（>240°C），这增加了对纳米晶体尺寸和均匀性的控制难度。在这项研究中，我们发现通过用镧卤化物替代过量的Pb²⁺，可以有效抑制奥斯特瓦尔德熟化现象，从而实现精确的尺寸调控和更好的掺杂效果。这种多功能的镧卤化物介导策略制备出了高度单分散的Yb/Er共掺杂CsPbCl₃纳米晶体，在1.54 μm波长下展现出创纪录的光致发光量子产率（21.2%），在胶体钙钛矿体系中属于最高水平。我们制备了一种发光二极管（PeLED），其1.54 μm波长的发光性能几乎纯净，在2.7 V的低驱动电压下实现了0.464%的峰值外部量子效率（EQE）。总之，1.54 μm Er-PeLED的发展为集成光源带来了新的前景。

引言

近红外（NIR）发光，尤其是在电信波段，由于其信号衰减和在二氧化硅光纤中的色散最小，因此在长距离光通信中具有巨大潜力[[1], [2], [3], [4]]。传统的发光材料往往存在发射线宽较宽、光谱纯度低、光稳定性差以及制备工艺复杂等问题。相比之下，Er³⁺掺杂提供了一种更稳定且简单的途径来实现1.54 μm波长的发光，使其成为理想的NIR发光材料候选者。最近，胶体钙钛矿纳米晶体（NCs）由于其柔软的晶格结构、优异的溶液加工性能、高吸收截面以及丰富的激子特性而成为有前景的载体平台，这些特性可以有效增强Er³⁺的发光效果[[5], [6], [7], [8]]。尽管取得了这些进展，但由于掺杂效率低、宿主-掺杂体耦合弱以及表面缺陷引起的非辐射复合等原因，Er³⁺的整体发光效率仍然有限[[9], [10], [11], [12], [13]]。多重掺杂钙钛矿纳米晶体的合成仍处于早期阶段，要实现高掺杂效率和有效的能量转移，还需要更深入地理解其合成化学和掺杂动力学。

铅卤化物钙钛矿材料的快速发展为1.54 μm光源的开发带来了新的机遇[[14], [15], [16]]。最近的研究表明，Er³⁺掺杂的钙钛矿材料在1.54 μm波长下具有光致发光特性，同时Yb³⁺掺杂体系还表现出980 nm的PL和电致发光特性[[17], [18], [19], [20]]。这些发现表明Er³⁺掺杂钙钛矿在1.54 μm波长的电致发光方面具有潜力，为进一步研究奠定了基础。

为了克服这些限制，我们在CsPbCl₃:Er³⁺器件中采用了Yb³⁺共掺杂策略[[21], [22], [23]]。通过量子切割机制，建立了从CsPbCl₃宿主到Yb^{3+ 2}F_5/2能级，再进一步到Er^{3+ 4}I_11/2能级的有效能量转移路径，从而实现了Er³⁺/Yb³⁺共掺杂钙钛矿LED在1.54 μm波长的相对高效电致发光。

章节摘录

结果与讨论

为了实现有效的镧元素掺杂，我们在略微缺铅的条件下（Cs/Pb ≥ 1）进行合成，并添加了过量的油酸（OA）和油胺（OAm）配体，因为镧离子通常会取代Pb原子。在过量OA和OAm配体的存在下，铅/镧前驱体与配体之间的反应会消耗大量的单体（Pb²⁺, Ln³⁺, Cl^?），生成高浓度的金属油酸盐和油胺氯化物物种（图1A）。

材料

PEDOT: TPBi（99.9%）、PSS、PVK和LiF购自西安聚合物光技术有限公司。OA、ODE、YbCl₃、ErCl₃和无水二甲基亚砜（DMSO）购自Aladdin公司。这些化学品均以其原始状态使用，未经过任何额外的纯化处理。

Cs前驱体溶液的制备

将2.5 mL OA、0.82 g Cs₂CO₃和30 mL ODE加入100 mL三颈烧瓶中，并在120°C下脱气直至气泡停止。随后，用氩气填充烧瓶，并进行反应。

结论

总之，我们开发了一种多功能的镧卤化物介导策略，可以精确控制掺镧钙钛矿纳米晶体的合成和掺杂，以实现近红外光发射。镧油酸盐复合物与油胺卤化物物种之间的协同作用促进了高效的掺杂过程，并抑制了奥斯特瓦尔德熟化现象，从而制备出了高度单分散的Yb/Er共掺杂CsPbCl₃纳米晶体，在1.54 μm波长下实现了创纪录的光致发光量子产率21.2%。

CRediT作者贡献声明

张晓东：概念构思、数据整理、数据分析、资金获取、监督、初稿撰写。张连荣：数据整理、数据分析。陈凯明：数据整理、撰写与编辑。王一涛：数据整理、数据分析。张立龙：资金获取、实验研究。张琳琳：数据分析、实验研究。

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（52403087）、浙江省自然科学基金（LMS25F040001）和海南省自然科学基金（525RC701）以及海南热带海洋大学科学研究基金（RHDRCZK202511）的支持。