Perovskiet-lichtemitterende diodes (PeLEDs), met hun aanzienlijke voordelen zoals lage materiaalkosten, hoge lichtopbrengst en instelbare emissiekleuren, zijn zeer veelbelovende kandidaten voor de volgende generatie display- en verlichtingstechnologieën. Sinds hun vroege ontwikkeling hebben PeLEDs opmerkelijke prestatieverbeteringen bereikt. Deze sprong voorwaarts is niet alleen te danken aan innovaties in het materiaal van de emissielaag zelf, maar vooral aan de synergetische effecten van optimalisatie van de algehele apparaatstructuur, verbeterde efficiëntie van ladingsinjectie en -recombinatie, en vooruitgang in interface-engineering. Vooruitgang in interface-engineering heeft energieverlies effectief verminderd en defecten gepassiveerd. In deze context speelt de gatentransportlaag (HTL), gelegen tussen de emissielaag en de anode, een cruciale rol. Deze laag bepaalt direct de efficiëntie van de gateninjectie, het niet-radiatieve recombinatieverlies aan de interface en de algehele operationele stabiliteit van het apparaat. Daarom zijn diepgaand onderzoek naar en optimalisatie van de HTL essentieel voor het verder verbeteren van de efficiëntie en levensduur van PeLEDs. Dit is een cruciale stap om de overgang van deze technologie van laboratoriumonderzoek naar praktische toepassingen in beeldschermen, verlichting en biobeeldvorming te versnellen.
In de pinstructuur van blauwe PeLEDs wordt poly(3,4-ethylenedioxythiofeen):polystyreensulfonaat (PEDOT:PSS) veel gebruikt als gatentransportmateriaal vanwege de hoge gatenmobiliteit, goede optische transparantie en verwerkbaarheid vanuit een oplossing. PEDOT:PSS kent echter aanzienlijke beperkingen in blauwe PeLEDs: de mismatch in energieniveau met de perovskiet-actieve laag leidt tot een hoge injectiebarrière voor gaten en ernstige niet-radiatieve recombinatie; de inherente hygroscopiciteit zorgt ervoor dat omgevingsvocht wordt opgenomen, wat de degradatie en fasescheiding van het perovskietmateriaal versnelt; tegelijkertijd is de geleidbaarheid gevoelig voor verwerkingsomstandigheden en omgevingsfactoren, wat resulteert in instabiele apparaatprestaties en aanzienlijke efficiëntievariaties.
Om deze knelpunten aan te pakken, is het introduceren van een polymeer tussenlaag tussen de HTL en de perovskietinterface, om een functionele bruglaag te creëren, een effectieve systematische oplossing gebleken. Deze tussenlaagstructuur maakt nauwkeurige bandgapmodulatie mogelijk voor efficiënte gatinjectie, maakt gebruik van interfacepassivering op moleculair niveau om niet-radiatieve recombinatie te onderdrukken en vormt een chemisch inerte barrière om destructieve reacties te beperken, waardoor de foto-elektrische conversie-efficiëntie en de levensduur van het apparaat synergetisch worden verbeterd. Van de verschillende opties presteert poly(N-vinylcarbazol) (PVK) vaak beter dan andere polymere gatentransportmaterialen vanwege zijn uitstekende filmvormende eigenschappen, wat resulteert in een superieure interfacekwaliteit en -stabiliteit. De inherent lage ladingsdragerbewegelijkheid van PVK blijft echter een belangrijk knelpunt. Ondanks pogingen om de ladingstransportcapaciteit te verbeteren door middel van dotering of additieven, blijft het een uitdaging om de beperkingen van de elektronische structuur van de polymeerruggengraat te overwinnen. Daarom is er, met behoud van de bestaande voordelen van interfacemodulatie van PVK, een dringende behoefte aan de ontwikkeling van nieuwe polymeerstructuren met een hoge mobiliteit door middel van innovatief moleculair ontwerp.
Eerder onderzoek beschreef het ongedoteerde polymeer HTM, een "polyvinylcarbazol-gebaseerd polymeer", geconstrueerd door een niet-geconjugeerde polyethyleen-ruggengraat te combineren met carbazol-gebaseerde "A-type" zijketens. Wanneer dit structurele ontwerp wordt gebruikt als bruglaag tussen PEDOT:PSS en perovskiet, moduleert het effectief de energieniveaus, bevordert het gatentransport en de uitlijning ervan met de perovskietlaag, en onderdrukt het niet-radiatieve recombinatie. Hemelsblauwe PeLEDs (emissiegolflengte 488 nm) gebaseerd op deze structuur vertoonden een bedrijfsspanning van 3 V en een maximale externe kwantumrendement van 3,26%, een 1,27-voudige verbetering ten opzichte van apparaten zonder de bruglaag. Deze prestatieverbeteringen bevestigen de superioriteit van de strategie die de niet-geconjugeerde ruggengraat combineert met A-type nanomesh aromaten. Theoretische studies hebben aangetoond dat de introductie van sterke elektronenonttrekkende groepen (zoals cyano, -CN) in de moleculaire structuur van PVK de efficiëntie van de ladingsextractie aan het grensvlak kan optimaliseren door het moleculaire dipoolmoment te vergroten en de filmstabiliteit te verbeteren door middel van intermoleculaire dipool-dipoolinteracties.
Om het potentieel van de "moleculaire meshing-strategie verder te onderzoeken en de apparaatprestaties te verbeteren, hebben Xie Linghai et al. van de Nanjing University of Posts and Telecommunications, met behoud van deze kernstrategie, cyanogroepen geïntroduceerd om een donor-acceptorstructuur te construeren. Ze ontwierpen en synthetiseerden een cyano-gefunctionaliseerd aromatisch polymeer van type A met nanomesh-structuur, P-CzCN. Experimentele karakterisering toont aan dat P-CzCN een significant verbeterde gatbewegelijkheid en een uitstekend vermogen tot defectpassivering vertoont. Door theoretische berekeningen te combineren met karakterisering op meerdere schalen, verheldert dit werk systematisch het synergetische reguleringsmechanisme van cyano-modificatie op het moleculaire stapelgedrag, de transportpaden van ladingsdragers en de uitlijning van de energieniveaus aan het grensvlak. Blauwe PeLEDs met P-CzCN-bruglagen bereikten een maximale luminantie van 4040 cd m⁻² en een externe kwantumrendement van 5,39% bij 488 nm. Onder verschillende spanningen blijft het elektroluminescentiespectrum consistent gecentreerd rond 488 nm, wat een uitstekende spectrale stabiliteit aantoont. P-CzCN is een belangrijk voorbeeld voor de functionalisering van op roosters gebaseerde HTM en is van groot belang voor de verdere ontwikkeling van de praktische toepassing van blauwe PeLED-technologie.
