金属ハロゲン化物ペロブスカイトナノ結晶は、その優れた光電子特性により、ディスプレイ技術の理想的な候補材料となっています。しかし、従来の配位子（オレイン酸/オレイルアミンなど）の弱い配位と長い鎖構造は、深刻な表面欠陥と限られたキャリア輸送を引き起こし、ペロブスカイト発光ダイオード（PeLED）の性能向上を妨げています。この問題を解決するため、厦門大学材料科学工学部の謝栄軍氏率いる研究チームは、「クエン酸配位子による緑色ペロブスカイト発光ダイオードの発光効率向上」と題する研究論文を『Journal of Luminescence』誌に発表しました。研究チームは、カルボン酸基（-COOH）と水酸基（-OH）を介してナノ結晶表面と複数の配位結合と水素結合を形成する、短鎖で強力なキレート性を持つクエン酸（CA）配位子を開発し、CsPbBr3ナノ結晶の表面欠陥の効率的なパッシベーションを実現しました。この戦略に基づいて構築された緑色ペロブスカイト発光ダイオードは、13.58%のピーク外部量子効率（EQE）を達成し、ペロブスカイト表面操作のための低コストで効率的な新しいソリューションを提供する。
リガンド相互作用メカニズム
研究チームは、配位子としてクエン酸を革新的に選択し、合成後の配位子交換プロセスを通じてCsPbBr3ペロブスカイトナノ結晶系に導入した。多座キレート配位子であるクエン酸のカルボン酸基と水酸基は、二座配位と水素結合の二重の相互作用により、CsPbBr3表面に安定的に結合することができる。密度汎関数理論（DFT）計算によると、クエン酸配位子の吸着エネルギーは-0.39 eVに達し、オレイン酸/オレイルアミン配位子の-0.26 eVよりも大幅に高く、熱力学的にそのより強い表面結合能力が実証された。フーリエ変換赤外分光法とX線光電子分光法により、配位結合と水素結合の形成がさらに検証され、ペロブスカイトナノ結晶の表面欠陥の効率的なパッシベーションが達成された。
図1：CsPbBr3ナノ結晶と表面配位子との相互作用メカニズム
ナノ結晶の光学的特性の複数回の最適化
クエン酸配位子による修飾は、CsPbBr3ペロブスカイトナノ結晶の形態と光学特性を包括的に向上させる。形態的には、修飾されたCsPbBr3ナノ結晶は典型的な立方晶相を保持しつつ、平均サイズがより均一になり、サイズ分布の濃度が大幅に改善され、光学性能向上のための構造的基盤が築かれる。
光学特性に関して、改質ナノ結晶は優れた特性を示します。発光ピークは513 nmで安定し、半値全幅（FWHM）は19.7 nmに狭まります。フォトルミネッセンス量子効率（PLQY）は67.1%から95.5%に大幅に増加し、非放射再結合速度は68.5 μs−1から5.4 μs−1に減少し、欠陥のパッシベーションが顕著に実現されています。同時に、クエン酸配位子は材料の熱安定性も向上させました。100℃でもナノ結晶は高い初期蛍光強度を維持し、励起子結合エネルギーは145.3 meVに増加しました。この励起子結合効果の強化により、高温条件下でも励起子が支配的な再結合経路が維持され、熱安定性と発光効率の相乗的な向上が実現しました。
図2：CsPbBr3ナノ結晶の形態と光学特性
緑色ペロブスカイト発光ダイオードの効率が大幅に向上
クエン酸修飾CsPbBr3ナノ結晶を基に、研究チームはITO/NiOx/Poly−TPD/CsPbBr3/TPBi/LiF/Al構造の緑色ペロブスカイト発光ダイオードを構築し、デバイスの発光性能を大幅に向上させた。このデバイスは、発光ピークが517 nm、CIE色座標が(0.099, 0.755)であり、全米テレビシステム委員会(NTSC)色域の緑色光標準をはるかに超え、優れた色純度を示している。ピーク輝度は1208 cd/m²に向上し、ピーク外部量子効率(EQE)は13.58%に達し、従来システムの2.9倍となった。ピーク電流効率も42.93 cd/Aに向上した。この性能向上は、表面配位子エンジニアリングによる欠陥の効果的なパッシベーション、キャリア再結合経路の変調、およびキャリア輸送バランスの最適化に起因する。
