CH3NH3PbBr3鈣鈦礦發光二極管發光層成膜優化的研究

李 婉

（陜西國防工業職業技術學院，陜西 西安 710300）

CH3NH3PbX3(X=Cl, Br, I)鈣鈦礦因載流子遷移率較高、易制備等優點，已成為新一代發光材料，制備出的鈣鈦礦發光二極管（PeLED）效率也不斷在刷新紀錄。但仍然存在發光效率低等問題[1]。基于此，本文探究PeLED發光層成膜問題，通過研究成膜性，提高薄膜中晶粒的致密性來提高器件的發光效率。

1 不同轉速旋涂PEDOT：PSS對鈣鈦礦層成膜的影響

發光層是旋涂于空穴傳輸層上的，空穴傳輸層會直接影響鈣鈦礦前驅體的成膜，進而影響發光層的成膜。所以空穴傳輸層的空穴注入被提高，可以間接提高發光層的成膜質量。本文中空穴傳輸層采用PEDOT：PSS溶液，其在旋涂時的旋涂速度會影響成膜質量，于是探究5組旋涂轉速對鈣鈦礦層成膜及器件性能的影響。具體制備流程如下。

1）清洗導電玻璃；2）空穴傳輸層制備，旋涂時轉速分別為：1 000 r/min、2 000 r/min、3 000 r/min、4 000 r/min、5 000 r/min；3）鈣鈦礦層制備，將鈣鈦礦前驅體溶液分別旋涂于不同轉速下制備的PEDOT：PSS層上[2-3]。

隨后將制備好的薄膜進行光致發光（PL）測試，PL光譜發光強度可以表明薄膜在光源激發下，薄膜發光情況，發光強度越高則薄膜質量越好。測試圖如圖1所示，圖中可以看出當轉速為3 000 r/min時光致發光光譜強度最大，所以得3 000 r/min轉速旋涂的PEDOT：PSS上制備的鈣鈦礦薄膜以及致密性是最好的。

圖1 不同轉速下旋涂的PEDOT：PSS上制備的鈣鈦礦薄膜PL圖

研究薄膜特性后，又制備了5組相應的PeLED器件。將制備好的器件進行電壓-電流測試、電壓-電流效率及電壓為3.8 V下電致發光（EL）光譜的測試，測試圖如圖2所示。當轉速為3 000 r/min時，圖2（a）顯示同一電壓下電流最小，說明漏電流減小[4]，圖2（b）電流效率最高可達到0.47 cd/A，圖2（c）EL也可以看出轉速為3 000 r/min時發光強度最高。綜上分析，選擇3 000 r/min的轉速旋涂PEDOT：PSS。

圖2 不同轉速下旋涂的PEDOT：PSS上制備的PeLED電學特性

2 鈣鈦礦層不同退火溫度對成膜性的影響

鈣鈦礦發光器件除空穴傳輸層對器件發光效率有重要的影響外，鈣鈦礦層薄膜自身也直接會影響器件的發光效率。本實驗采用CH3NH3Br、PbBr2和極性溶液按一定比例混合進行配制鈣鈦礦前驅液，CH3NH3Br、PbBr2的結晶速率會影響鈣鈦礦薄膜的形貌，而其結晶速率對退火溫度非常敏感。對薄膜進行退火處理目的是讓材料內部的應力進行釋放，增加晶粒延展性，提高鈣鈦礦薄膜的成膜質量。具體制備流程為：1）清洗導電玻璃；2）空穴傳輸層制備，在旋涂時轉速采用3 000 r/min；3）鈣鈦礦層制備，將配制好的鈣鈦礦前驅體溶液旋涂于空穴傳輸層上，旋涂完后將基片分別置于不同溫度（分別為不退火、50 ℃、70℃、90 ℃）的加熱臺上進行退火。

將4種不同退火溫度下制備的鈣鈦礦薄膜進行PL測試，測試圖如圖3所示。從光譜半峰寬來看，半峰寬越窄證明薄膜致密性越好，載流子復合增大[5-6]，發光強度越穩定，從圖中可以看出退火溫度為50 ℃和70 ℃時半峰寬度較窄；從發光強度來看，發光強度越大表明出光效率越好[7-8]，當退火溫度為70 ℃時，發光強度最高，所以經過PL分析，70 ℃為最佳退火溫度。

圖3 四種鈣鈦礦薄膜PL圖

最終將4種不同條件下制備的鈣鈦礦薄膜制備成發光器件，再將器件進行電學性能測試，測試圖如圖4所示。圖4中（a）（b）（c）分別為不同退火溫度下制備的PeLED器件的電壓-電流關系圖、電壓-電流效率關系圖以及驅動電壓為3.8 V時的EL圖。從圖中可以看出當鈣鈦礦薄膜退火溫度為70 ℃時電流是最小的，表明薄膜中漏電流最小，同時電流效率為0.65 cd/A，EL強度也是最大的[9-10]。所以通過電學性能分析，也可以得到退火溫度為70 ℃時，器件發光效率最高。

圖4 不同退火溫度制備PeLED電學特性

綜上數據分析，可以得到空穴傳輸層的最佳旋涂轉速及鈣鈦礦層最佳退火溫度，目的是對鈣鈦礦層薄膜進行優化處理，即增大薄膜覆蓋率，減少表面孔洞，提高器件的發光效率。

3 結論

本文針對CH3NH3PbBr3鈣鈦礦發光二極管成膜性，從空穴傳輸層的旋涂速度以及鈣鈦礦層溶液旋涂完后的退火溫度兩個因素進行探究，最終從薄膜的性能測試數據當中得到：旋涂空穴傳輸層溶液的轉速采用3 000 r/min時，鈣鈦礦薄膜形貌較好，器件效率較高；當鈣鈦礦層溶液旋涂完后使用70 ℃退火時，薄膜質量較好，器件效率較高。