自有机发光二极管（OLED）诞生以来，薄膜光电子器件的发展便一直处于材料物理与化学研究的前沿。每一代发光材料的出现，例如热活化延迟荧光有机材料，半导体量子点，金属卤化物钙钛矿、荧光碳点等，都会引发研究热潮和器件性能的提升。尽管发光材料在不断发展，发光二极管（LEDs）则仍然植根于经典的三明治结构，即发光层被夹在空穴/电子传输层之间。这意味着除了开发更高效的发光材料，提高器件效率的另一个重要课题就是改善电荷传输和注入的效率。合理地设计器件结构，包括择优选择电荷传输层、能带对齐和界面工程等方面。为了适应发光材料的快速发展，开发具有增强电荷输运和注入、缺陷钝化、形态调控、增强光耦等多功能的新型电荷传输材料已成为发展的必然目标。
p/n型有机传输材料和无机金属氧化物传输材料是目前最常用的两类传输材料，但各有其缺点和局限性。有机传输材料的电荷传输强烈依赖于π共轭电子态跨范德华键合的分子单元的离域能力，而由于有机分子间堆积的复杂、多向模，实现电子波函数的高离域性变得十分苛刻。这些独特的固态物理特性最终决定了有机传输材料受限的光电特性，包括低载流子迁移率和短的激发态寿命。与有机传输材料相比，新开发的无机金属氧化物传输材料具有更高的载流子迁移率（大多超过10-2 cm2 V-1 s-1）和更高的化学稳定性。然而，金属氧化物/有机发光层的界面处往往会发生严重的荧光猝灭，大大阻碍了其在有机体系中的应用。因此，开发具有新型电荷传输材料来实现高效的电荷传输等多种功能仍然是一个紧迫而艰巨的挑战。
金属卤化物钙钛矿具有十分优异的光电特性，例如高载流子迁移率、可调带隙、长载流子扩散长度、长激发态寿命等，因此钙钛矿有巨大的潜力成为一种多功能的电荷传输材料。此外，钙钛矿可以通过不同的溶液加工方法合成，能够满足制造低成本、大面积、柔性器件的要求。最近，研究者们已经尝试将钙钛矿作为传输层材料应用于OLED和钙钛矿LEDs，然而，这些研究仅仅将钙钛矿作为孤立的传输层以研究其在电荷传输中的作用，而忽略了钙钛矿与相邻的发射层之间的相互作用，从而未能深入揭示界面的载流子动力学。北京化工大学软物质高精尖中心的谭占鳌课题组首次证明了金属卤化物钙钛矿可作为一种新型多功能电荷传输材料用于制备高效碳点电致发光二极管，并通过多重的实验和理论计算等手段深入研究了界面相互作用和载流子动力学。构建了基于有机碳点发光层与钙钛矿空穴传输层的杂化有机-无机平面异质结。首次将有机发光层和下层的钙钛矿作为一个统一的整体以研究发光二极管的载流子动力学。深入的实验和理论研究表明，在异质结界面处存在着明显的物理和电子相互作用。一方面，有机发光层和钙钛矿在界面有着紧密的物理接触，因此得以充分利用钙钛矿的高电荷迁移率的特性，实现高效的空穴运输和注入；另一方面，有机发光层对下层钙钛矿层的表面缺陷钝化也起着关键作用，这反过来又会促进电荷和能量的转移。异质结处的相互作用可以通过调控卤素成分、厚度、表面形貌等进一步设计，有助于器件优化和更好地理解这种新型有机-无机杂化光电器件中的载流子动力学。制备高效的碳点发光二极管，器件最大亮度可达1705 cd m – 2，最大电流效率高达2.24 cd A – 1，显示了金属卤化物钙钛矿作为一种低成本、多功能的电荷传输材料在高效薄膜光电器件中的巨大潜力。本工作揭示金属卤化物钙钛矿作为空穴输送层对空穴输送和注入的积极作用，因此为开发高效碳点发光二极管开辟了新的途径。
图1 基于碳点发光层-钙钛矿空穴传输层的有机-无机钙钛矿平面异质结的相互作用研究。
图2 钙钛矿空穴传输层的光学性质与结构表征。
图3 优化后的钙钛矿空穴传输层的表面形貌。
图4 基于有机-无机钙钛矿平面异质结的碳点发光二极管的器件性能。
图5 稳态与瞬态荧光光谱研究有机-无机钙钛矿平面异质结的光生激子行为。
上述研究工作得到了博士后科学基金（2020M680308）、国家重点研发计划(2019YFE0112200)、国家自然科学基金项目（51772218）、中央高校基本科研业务费专项资金资助（PT2021-02）的支持。感谢北京师范大学、四川师范大学和温州大学在理论计算方面的支持。
论文信息：
Engineering Organic–Inorganic Perovskite Planar Heterojunction for Efficient Carbon Dots Based Light-Emitting Diodes
Haoran Jia, Huanyu Ma, Xiangyang Liu, Donghui Xu, Ting Yuan, Chao Zou, Zhan’ao Tan
Applied Physics Reviews 2022, 9, 021406.
DOI：10.1002/smll.202200036
https://aip.scitation.org/doi/abs/10.1063/5.0085692