有機無機ハイブリッドペロブスカイト半導体は、その優れた光電子特性から大きな注目を集めており、太陽電池、光電気化学セル、レーザー、発光ダイオード（導かれた）などに広く利用されています。中でも、ペロブスカイト系LED（特にCH₃NH₃臭化鉛₃を用いたもの）は、過去10年間で非常に有望な研究分野となっています。しかし、トラップ状態（特に界面におけるトラップ状態）は、ペロブスカイトLEDの性能と安定性を著しく制限します。バンドギャップ内のこれらのエネルギー局在状態は、電荷キャリアをトラップおよび放出するため、キャリア移動度が低下し、非発光再結合が増加し、デバイス効率の低下につながります。ペロブスカイトLEDにおけるトラップ状態は、主に粒界、固有欠陥、界面相互作用に起因します。例えば、ハロゲン空孔やAサイト空孔、鉛-ハロゲンアンチサイト、ハロゲン格子間といった特定の点欠陥は、非発光損失を引き起こす可能性があります。ハロゲン空孔は正に帯電したサイトを形成し、バンドギャップに欠陥状態を導入し、それによって電子をトラップして正孔を中和し、トラップアシストによる電子-正孔再結合を引き起こし、デバイスの効率を大幅に低下させます。
Wuらは以前、紫外光電子分光法を用いて、メチルアンモニウムヨウ化鉛ペロブスカイト薄膜におけるこのようなトラップの存在を直接的に証明した。一方、環境中のハロゲン濃度が過剰になると、ハロゲンを豊富に含む表面層が形成され、自己不活性化効果が生じ、励起子生成が促進され、発光再結合率が上昇する可能性がある。トラップによる非発光再結合は、特にキャリア密度が低い場合、発光効率の低下につながる主要な要因である。再結合を促進するだけでなく、トラップされた状態はイオン移動のチャネルとなり、デバイス性能の劣化をさらに悪化させる可能性がある。もう一つの大きな問題は、ペロブスカイト発光ダイオードにおけるキャリア注入の不均衡であり、界面でのキャリア蓄積、非発光再結合の誘発、そして顕著な発光消光を引き起こす。この問題に対処するため、電子輸送層と正孔輸送層間のキャリア移動度のバランスをとることが、ペロブスカイト発光ダイオードにおけるキャリア注入のバランスを確保するための効果的な戦略であることが証明されている。さらに、電界駆動によるイオンマイグレーションはこれらの課題を悪化させ、光電流ヒステリシス、電流電圧ヒステリシス、スイッチング可能なデバイス極性、異常に高い静的誘電率といった異常な挙動を引き起こします。イオンマイグレーションは、トラップ状態の形成と活性化をさらに悪化させ、デバイス性能への悪影響を増幅させます。
研究チームは以前、有機塩素化合物（塩化コリンなど）を用いたパッシベーションにより、ペロブスカイトLEDのイオン移動を効果的に抑制し、トラップ状態を低減することで、スペクトル安定性とデバイス性能を向上できることを実証しました。最近の研究では、トラップ状態とイオン移動を低減することでデバイス効率を向上させる欠陥パッシベーション戦略の有効性がさらに確認されています。例えば、Xuらは、トラップ状態とイオン移動の低減を鍵とする、有機塩素化合物エンジニアリングを用いた色安定性の高い濃青色ペロブスカイトLEDの実現を実証しました。同様に、Yunらは、イオン移動とトラップ状態が青色セシウム臭化鉛ペロブスカイトLEDにもたらす課題を指摘し、欠陥レベルを制御しフォノン結合を低減するために、臭化水素酸ヒドラジンを用いた組成エンジニアリングを提案し、デバイス効率を向上させました。しかし、これらの研究は主に材料工学に焦点を当てており、界面キャリアダイナミクスを直接調査したり、トラップアシスト再結合を定量的に分析したりしていません。さらに、欠陥パッシベーション戦略はイオンの移動を抑制することが示されていますが、電荷注入バランスへの影響については、まだ詳細に調査されていません。
台湾の国立成功大学の郭宗芳氏率いる研究者らは、アドミタンス分光法を用いてCH₃NH₃臭化鉛₃ベースのペロブスカイト発光ダイオード（導かれた）のトラップ状態、界面ダイナミクス、およびキャリアダイナミクスを調査し、塩化コリンによる欠陥パッシベーションが界面キャリアダイナミクスをどのように改善するかを解明しました。この技術により、デバイスの電気的挙動を調査することが可能になり、トラップ状態が容量、キャリア注入、および再結合プロセスにどのように影響するかが明らかになります。これは、デバイスの効率と安定性を向上させる上で非常に重要です。この研究では、効果的な欠陥パッシベーションが非発光再結合を大幅に抑制し、イオンマイグレーションを緩和し、よりバランスの取れた電荷注入と輸送を保証することが実証されています。これらの効果を分析するために、電圧依存容量、輝度-容量-電圧関係、および周波数依存容量を導出し、評価しました。これらの解析により、パッシベーション処理されたデバイスでは、トラップ密度の減少、イオン分極の抑制、および放射再結合の促進が示され、界面キャリアダイナミクスの改善が確認されました。デバイス性能の傾向と補足的な電気特性評価に主に焦点を当てた先行研究とは異なり、本論文ではアドミタンス分光法に基づく診断解析プロセスに焦点を当てています。解析は周波数分解応答関数とバイアス領域マッピングにまで拡張され、電子トラップ応答と低速イオンの寄与を明確に区別することで、電荷蓄積、再結合、および安定性についてよりメカニズム的な説明が可能になりました。
