無鉛金屬鹵化物發(fā)光二極管（LED）由于低毒性、可溶液加工性和穩(wěn)定性，在下一代環(huán)保照明和顯示領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注。其中，碘化銫銅（CsCu2I3）因其優(yōu)異的寬帶暖白光發(fā)光特性，突出的環(huán)境穩(wěn)定性以及在有機(jī)溶劑中的高溶解度，成為研究最多的鹵化銅材料之一。然而，由于CsCu2I3的有效載流子質(zhì)量大、光學(xué)能隙超過3.5 eV，使得即便在高電泵浦條件下，器件中的電荷注入效率依然不高。此外，廣泛分布的Cu空位帶來的高空穴濃度進(jìn)一步加劇了器件中電子-空穴注入不平衡，在CsCu2I3發(fā)射層和電子傳輸層（ETL）之間的界面處造成了不希望的空穴積累和激子非輻射損失，嚴(yán)重制約器件的外量子效率（EQE）和發(fā)光亮度。
西南交通大學(xué)楊維清、李文等人設(shè)計(jì)了一種基于無機(jī)界面偶極子層（IDL）的空穴延遲釋放策略，在空穴傳輸層（HTL）和發(fā)射層之間界面處構(gòu)筑超薄氯化鋰（LiCl）以形成IDL，通過雙向離子偶極相互作用有效調(diào)制兩側(cè)接觸層（PEDOT:PSS/IDL/CsCu2I3）的能帶結(jié)構(gòu)，優(yōu)化空穴注入勢壘，實(shí)現(xiàn)空穴（多子）的延遲釋放，最終改善電子-空穴注入平衡。基于IDL的CsCu2I3LED在565 nm處表現(xiàn)出4倍提升的2620 cd/m2的最大亮度，以及3倍增強(qiáng)的3.7%的峰值EQE。此外，基于其他堿金屬鹽IDL的CsCu2I3 LED同樣表現(xiàn)出一致的性能增強(qiáng)效果，證明了無機(jī)IDL的空穴延遲釋放策略的普適性。
文章亮點(diǎn)總結(jié)
1.能帶結(jié)構(gòu)雙向調(diào)制：IDL能夠同時(shí)與PEDOT:PSS的PSSH和CsCu2I3的[Cu2X3]?形成離子偶極相互作用，有效調(diào)節(jié)能級排列并實(shí)現(xiàn)空穴延遲注入，最終優(yōu)化電子-空穴注入平衡。
2.阻抗譜多角度解析輸運(yùn)機(jī)制：通過對單載流子器件和完整器件的阻抗譜（I-V，EIS, C-V, dC/dV...）進(jìn)行全面分析，從多角度驗(yàn)證空穴延遲釋放策略帶來的器件載流子輸運(yùn)行為變化。
3.突破“亮度?效率”兩難困境：兼具界面結(jié)晶調(diào)控效果的堿金屬鹽IDL有效緩解了傳統(tǒng)有機(jī)IDL高絕緣性和不良界面接觸帶來的“犧牲亮度成全效率”的兩難困境，構(gòu)筑氯化鋰IDL的CsCu2I3 LED表現(xiàn)出亮度和EQE的同步提升（638 cd/m2→2620 cd/m2，1.3%→3.7%）。
圖1.IDL的能帶結(jié)構(gòu)雙向調(diào)制。(a) IDL雙向相互作用示意圖。(b) IDL能帶結(jié)構(gòu)優(yōu)化示意圖。(c) 有無IDL的PEDOT:PSS薄膜的二次電子截止邊和價(jià)帶區(qū)UPS數(shù)據(jù)。(d) 有無IDL的器件能級圖。(e, f) 有無IDL的PEDOT:PSS/CsCu2I3界面KPFM測試（實(shí)驗(yàn)示意圖、表面電位圖像和選區(qū)平均電位分布）。
圖2.I-V特性曲線和EIS角度的界面載流子行為分析。(a, b) 有無IDL的I-V特性曲線及PHD器件結(jié)構(gòu)示意圖。(c, d) 有無IDL的I-V特性曲線及HOD器件結(jié)構(gòu)示意圖。(e, f) 有無IDL的I-V特性曲線及完整器件結(jié)構(gòu)示意圖。通過EIS測試得到的(g) PHD，(h) HOD和(i) 完整器件的奈奎斯特圖（插圖為對應(yīng)的等效電路模型圖）。
圖3.C-V相關(guān)阻抗譜角度的界面電荷輸運(yùn)和復(fù)合行為分析。(a) 10 kHz下，有無IDL的器件C-V特性曲線。(b) 10 kHz下，有無IDL的器件dC-dV特性曲線。器件在3個(gè)電壓范圍下的載流子動態(tài)過程示意圖：(c) 0 < V < VI，(d)VI < V < VII和(e)V > VII。
圖4.IDL層間雙向相互作用。(a) 器件橫截面SEM圖像。(b) 陰離子測量模式下的 ITO/PEDOT:PSS/LiCl/CsCu2I3器件TOF-SIMS深度分布。在PEDOT:PSS和IDL/PEDOT:PSS上沉積的CsCu2I3薄膜的(c) XRD數(shù)據(jù)，(d) UV-vis和穩(wěn)態(tài)PL光譜，(e) Urbach能量，(f) TRPL光譜以及(g) Cu 2p峰的XPS數(shù)據(jù)。有無IDL的PEDOT:PSS薄膜的(h) S 2p峰和 (i) O 1s峰的XPS光譜。
圖5.基于IDL的CsCu2I3 LED性能優(yōu)化。(a) 有無IDL器件的J-V-L曲線。(b) 4.8 V下有無IDL器件的EL光譜，(c) 持續(xù)增加的外置偏壓下，IDL器件的EL光譜。插圖是3.4 V下的器件電致發(fā)光照片。(d) 有無IDL器件的EQE-電流密度曲線。(e) 有無IDL器件的峰值EQE和最大亮度的統(tǒng)計(jì)分布。(f) 本工作與其他已發(fā)表的溶液法制備CsCu2I3LEDs工作的器件性能比較。
X. Zeng, Q. Yin, L. Pan, Y. Chen, C. Li, M. Mu, Q. Wang, W. Li, W. Yang, Hole Delayed-Release Effect of Inorganic Interfacial Dipole Layer on Charge Balance for Boosting CsCu2I3 Light-Emitting Diodes. ACS nano, 2025.
DOI: 10.1021/acsnano.4c14429
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.4c14429
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