鑽石舞台

摘要：隨着溫度降低，鈣鈦礦材料的受激發射閾值降低而穩定性提高，因此在低溫下操控鈣鈦礦發光二極管被認為是實現電泵激光器的重要策略。在此工作中研究人員對如何在低溫條件下操縱離子運動以及離子運動對器件發光性能的影響提供了全面的理解，最終在1kA cm-2實現了 2.9%的外量子效率 (EQE)，為實現電泵激光奠定了基礎。

關鍵詞：Advanced Optical Materials, 低溫、電脈衝、離子移動、鈣鈦礦激光

金屬鹵化物鈣鈦礦因其可溶液加工性、較低的放大自發發射（ASE）閾值和高光增益值等特性，是未來發光應用的一個極具前景的材料系統。目前，已能在多種鈣鈦礦材料中觀察到光泵浦激光行為。但是在實現電泵浦激光器這一方向上，仍面臨着眾多挑戰。例如，焦耳熱的產生，會降低強電流密度注入時的器件性能。因此，降低器件工作溫度是實現電泵浦鈣鈦礦激光的關鍵策略之一，特別是考慮到鈣鈦礦的受激發射閾值也會隨溫度大大降低。

作者首先提出了一種能在77K低溫下高效工作的PeLED器件，其結構為ITO/PolyTPD/(FAPbI3)0.95(MAPbBr3)0.05/PCBM/ZnMgO/Al）。該器件在77K下展示出了優異的載流子注入特性，達到電流密度為100 mA cm-2所需電壓僅為3.35V。此外，作者觀察到低溫下器件在有無直流偏置條件下的JV特性曲線和EL光譜存在顯著差異性。由於在低溫條件下鈣鈦礦中的離子遷移被抑制甚至被凍結，在移除冷卻器件所施加的直流偏壓後，移動後的離子不能快速遷移到其初始位置，引發PeLED中離子分布的變化，從而造成了所觀察到的特性差異。這表明PeLED的光電特性不僅受鈣鈦礦材料固有的載流子動力學，即非輻射複合率、輻射複合率等影響，而且還受到器件內離子分布的顯着影響。同時，作者採用微秒脈衝電壓取代直流電壓激發PeLED後發現，器件的外量子轉換效率（EQE）降低且變化規律與直流偏壓下不一致，同時峰值EQE需在較高的電流密度注入下獲得。這些差異性說明了在直流測量中，離子分布被電壓掃描主動改變，而在脈衝測量中，離子不能對快速電脈衝做出響應。

此外，研究人員還發現由於離子運動在低溫下明顯變慢，器件內的離子分布形態可以被暫時凍結而無法自己鬆弛到平衡位置，雖然在此條件下額外的直流偏壓仍然可以觸發離子移動。因此，作者巧妙設計實驗研究低溫下離子逐漸遷移的影響：首先，PeLED 在沒有直流偏置的情況下冷卻到 150 K。採用微秒脈衝探測 PeLED 的光電特性。在該測量之後，PeLED 在 200 mA cm-2的恆定偏置下一定時間以移動離子。在去除恆定偏壓後，使用微秒脈衝進行另一次測量。重複以上操作可實現逐漸改變器件內的離子分布。離子分布的逐漸變化導致 EQE 值逐漸增加，PeLED的EQE增幅近乎2倍。此外，作者通過研究瞬態電致發光特性發現，離子分布能有效抑制過沖現象。基於以上認識，作者製備了直徑為200 µm的按比例縮放的圓形微PeLED器件，實現了在 77 K、 1 kA cm-2條件下的2.9%的穩定EQE，這相當於3倍室溫下的EQE。

此項工作展示了一種低溫下出色工作的PeLED器件，全面分析了解了PeLED在不同溫度下與離子遷移相關的工作機制。特別是，作者展示了一種有效的方法，用直流偏壓調控離子移動並在低溫下暫時凍結離子分布。通過優化低溫下的強電脈衝，作者在77K的1kA cm-2下實現了2.9%的高EQE，這相當於3倍室溫下的EQE，為新型材料和器件設計開闢了新途徑，也證明了低溫下的強脈衝激發是實現電泵浦鈣鈦礦激光器的極具前景的策略。