ダブルペロブスカイトをシングルペロブスカイトに共ドーピング

Jan 21, 2024

2023 年 5 月 22 日

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北京理工大学出版局著

Energy Materials Advances に掲載された新しい論文では、単一成分白色発光ダイオード用の Eu3+-Bi3+ 共ドーピング ダブル ペロブスカイトについて研究しています。

「ハロゲン化鉛ペロブスカイトは製品販売に近づく成熟した研究段階に達しているが、材料の安定性と鉛ベースの塩の毒性に対する懸念は依然として残っている」と論文著者で吉林大学電子理工学院教授のHongwei Song氏は述べた。

Cs2AgInCl6 組成のダブルペロブスカイトは、さまざまな元素がドープされることが多く、その興味深い光学特性、つまり自己捕獲励起子 (STE) 発光とドーパント誘起フォトルミネッセンスにより注目されています。 この関心により、結晶とナノ結晶の両方に対するさまざまな合成アプローチが引き起こされ、Ag+ と In3+ 以外の一価および三価の陽イオンを含む多くの合金組成の探索が行われてきました。

Song氏は、鉛を含まないペロブスカイト材料の開発において、人々が最初に考えるのはPb元素を無毒な元素に置き換えることだと説明した。 ハロゲン化物ペロブスカイトの Pb を置き換えるために、研究者らは、同じ時期にそれに最も近いいくつかの低毒性陽イオン (Sn、Ge、Bi、Sb、In など) を選択しました。これらは同様の不活性な殻の軌道を持っているためです。

これがペロブスカイト材料のユニークな光電特性の鍵です。 鉛ベースのペロブスカイト材料は、その高効率、高演色性、および調整可能な発光性能により、固体照明分野で大きな注目を集めています。 これは、光電産業全体の発展にとってチャンスであると同時に課題でもあります。

「2017年にGiustinoらとZhouらによってCs2AgInCl6に関する先駆的な研究がほぼ同時に報告されて以来、その合成、組成の変更、電子構造の研究、光電子特性、および応用に多くの努力が注がれてきた。 86 % PLQY の白色発光の記録は、Ag+ と Na+ および Bi3+ ドーピングを同時に行う合金化によって Luo らによって達成され、Cs2AgInCl6 関連材料の開発における重要なマイルストーンとなった」と Song 氏は述べた。

「いくつかの利点があるにもかかわらず、これらのハロゲン化鉛ペロブスカイトの主要な問題は依然として安定性の低さと毒性です。そのような問題を解決するために、ペロブスカイトの効率的な光学特性を維持しながらペロブスカイトの毒性を軽減するためのさまざまな試みがなされてきました。」

Bi3+ イオンの存在により、励起 (吸収) エネルギーが減少し、新しい吸収チャネルが提供され、Eu3+ イオンへのエネルギー移動速度が増加します。 Bi3+ および Eu3+ 濃度を調整することにより、6% Eu3+ および 0.5% Bi3+ 共ドープ Cs2AgInCl6 DP で 80.1% の最大フォトルミネッセンス効率 (PLQY) が得られます。

「エネルギー伝達効率は、さまざまな Bi3+ ドーピング濃度の下での減衰率に適合させることができます。Bi3+ のドーピング濃度が増加すると全体としてエネルギー伝達率が向上し、最適なエネルギー伝達率はそれに対応することがわかります。」 Bi3+ 濃度は 0.5% です。次に、材料に対して PLQY テストを実施しました。ドープされていない Cs2AgInCl6 DP の場合、PLQY はわずか 0.5% ですが、Bi3+ の添加後は 20.1% に劇的に増加します。Eu3+ と共ドープされた後、 Bi3+ イオン、PLQY は増加し続け、Eu 濃度が 6% に達すると最大の 80.1% に達します」と Song 氏は述べています。

「ここで、Bi/Eu3+ における Eu3+ 発光を説明する可能性のあるメカニズムを提案します。Cs2AgInCl6。Cs2AgInCl6 DP は直接バンドギャップ半導体です。Bi3+ ドーピングは、材料に新しい吸収チャネルを提供します。これは、Bi/Eu3+ 軌道の寄与によって引き起こされる可能性があります。バンドエッジ、STE 状態互換性禁止遷移の打破、より低いエネルギーでの新しい光吸収チャネルの生成、STE によって放出される PLQY の促進 Eu3+ 放出の場合、2 つの経路があると考えられます。 Eu3+ ドープ Cs2AgInCl6 DP で Eu3+ 発光が観察されていることから、STE から Eu3+ イオンへの変換は可能である。第二に、Eu3+ 発光は主に Bi3+ イオンから Eu3+ イオンへのエネルギー移動から生じている可能性がある。Bi3+ イオンは励起光を吸収し、 Bi3+ イオンの 1P1、3P2、3P1、3P0 準位から Eu3+ イオンの 5D3、5D2、5D1、5D0 準位にエネルギーが変換され、5D0→7Fj(j=0,1,2,3) を通じて Eu3+ イオンの特徴的な発光が形成されます。トランジション。」

「最後に、Bi3+ と Eu3+ を共ドープした Cs2AgInCl6 DP をベースにした白色発光ダイオードを準備しました。この DP は、最適演色評価数 89、最適発光効率 88.1 lm/W、半減期 1493 時間で製造されました。メタルハライドDPに光学機能を付与することは、光ファイバー通信、日常照明、軍事産業、ディスプレイ、その他の分野などの将来の応用につながる可能性がある」とソン氏は述べた。

詳しくは： Tianyuan Wang et al、単一成分白色発光ダイオード用の Eu3+-Bi3+ 共ドーピング ダブル ペロブスカイト、エネルギー材料の進歩 (2023)。 DOI: 10.34133/energymatadv.0024

提供：北京工業大学出版局