双激光技术实现无缺陷钙钛矿薄膜 提升LED亮度与耐用性

来自 实验室仪器网

使用新的双激光薄膜技术生长薄膜可产生无缺陷的钙钛矿层。其结果是用于电子产品的LED更亮、更持久;想想更长的电池寿命和更生动的屏幕技术。

一种新的激光制备方法显著提高了溴化铯铅（CsPbBr3）薄膜。该研究发表在《先进材料科学与技术》上，展示了一种双激光真空工艺，可以精确控制薄膜生长和界面，从而产生亮绿色电致发光和有希望的器件性能。

钙钛矿因其可调特性和天然缺陷容忍度而被广泛研究用于光电器件。然而，传统的溶液处理方法往往会引入杂质和结构缺陷，限制其性能和耐用性。

为了解决这个问题，一个研究小组开发了一种基于真空的干式方法，将脉冲激光沉积与红外分子束外延（IR-MBE）相结合。这种设置允许在单个腔室内同时沉积和原位热控制，这对于实现高纯度、均匀的薄膜至关重要。

使用单晶CsPbBr3目标，该团队应用脉冲紫外Nd：YAG激光器（266nm，10Hz）将材料烧蚀到蓝宝石（α-Al2O3）超高真空下的基板。在沉积过程中使用连续波红外激光器加热基板，保持受控温度，最大限度地减少铯损失。薄膜在各种温度下生长，200°C被确定为实现高结晶度和平衡化学计量的最佳点。

X射线衍射分析证实，在200°C下生长的薄膜显示出最尖锐的峰和最窄的摇摆曲线宽度，表明晶体结构优越。元素分析表明，在此温度下，Cs/Pb比接近0.9，接近理想成分。

当生长到200°C以上时，由于蒸发增加，薄膜出现铯缺失，导致结构退化。低于此温度，不完全结晶限制了光学性能。在高于250°C的温度下，由于严重的铯损失，薄膜沉积完全失败，这凸显了稳定CsPbBr的狭窄窗口3编队。

光学测量显示直接带隙为2.36eV，在2.4eV附近具有很强的激子吸收特征。在200°C下生长的薄膜发出明亮的绿光，峰值为524nm，其光致发光强度比在次优温度下生长的薄膜高近100倍。

时间分辨光致发光表明激子发射寿命为7.2纳秒，而时间分辨微波电导率（TRMC）显示载流子寿命为16.5微秒，有效迁移率为2.47cm。2/V·s，与块状单晶相当。

然后将这些高质量薄膜集成到由ITO、Mg0.3锌0.7O、CsPbBr3、α-NPD、MoOx，以及一个金电极。该器件发出明亮、均匀的绿色电致发光，光谱宽度窄，为16.5nm，导通电压约为2.3伏，与测量的带隙一致。

研究人员指出，虽然少量的Cs4铅硼6检测到以强发光而闻名的相，其主要发射行为可归因于CsPbBr3层。与单独使用IR-MBE生长的薄膜相比，脉冲激光沉积方法有效地抑制了CsPb的形成2溴联5，一种不需要的缺乏Cs的杂质相，会降低光学性能。

反复的制造试验证实了薄膜质量和设备性能的可重复性。

这种双激光系统的一个关键优势在于它能够在同一真空环境中精确生长无机层和有机层，从而降低污染风险并确保清洁界面。这种级别的过程控制对于增强电荷注入、减少复合损耗和提高钙钛矿器件的整体稳定性至关重要。

该研究表明，双激光烧蚀是一种高度可控的钙钛矿光电子制造方法，可以解决与薄膜均匀性、杂质控制和结构相干性相关的长期挑战。研究人员建议，未来的工作应该探索器件寿命、异质界面工程以及与新材料的集成，以扩大该技术在LED之外的应用。

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