أصبحت بلورات البيروفسكايت النانوية من هاليدات المعادن موادًا مرشحة مثالية لتكنولوجيا العرض نظرًا لخصائصها الكهروضوئية الممتازة. مع ذلك، يؤدي ضعف التنسيق وبنية السلسلة الطويلة للروابط التقليدية (مثل حمض الأوليك/أوليل أمين) إلى عيوب سطحية شديدة ونقل محدود للشحنات، مما يحد من تحسين أداء ثنائيات البيروفسكايت الباعثة للضوء (PeLED). ولمعالجة هذه المشكلة، نشر فريق بقيادة رونغجون شي من كلية علوم وهندسة المواد بجامعة شيامن ورقة بحثية بعنوان "رابطة السترات تُحسّن كفاءة الإضاءة لثنائيات البيروفسكايت الخضراء الباعثة للضوء" في مجلة "Journal of Luminescence". طوّر فريق البحث ربيطة حمض الستريك (CA) قصيرة السلسلة ذات قدرة عالية على التمخلب، والتي تُشكّل روابط تنسيقية متعددة وروابط هيدروجينية مع سطح البلورات النانوية عبر مجموعتي حمض الكربوكسيل (-COOH) والهيدروكسيل (-OH)، مما يُحقق تخميلًا فعالًا للعيوب السطحية في بلورات CsPbBr3 النانوية. وقد حقق الصمام الثنائي الباعث للضوء الأخضر المصنوع من البيروفسكايت، والمبني على هذه الاستراتيجية، ذروة كفاءة كمية خارجية (EQE) بلغت 13.58%، مما يُوفر حلًا جديدًا منخفض التكلفة وفعالًا لمعالجة سطح البيروفسكايت.
آلية تفاعل الليجاند
ابتكر فريق البحث استخدام حمض الستريك كربيطة، حيث أدخله في نظام بلورات البيروفسكايت النانوية CsPbBr3 من خلال عملية تبادل ربيطات بعد التخليق. وباعتباره ربيطة متعددة التنسيق، ترتبط مجموعات الكربوكسيل والهيدروكسيل في حمض الستريك بثبات بسطح CsPbBr3 عبر تفاعل مزدوج يجمع بين التنسيق ثنائي التنسيق والروابط الهيدروجينية. وأظهرت حسابات نظرية الكثافة الوظيفية (DFT) أن طاقة امتزاز ربيطة حمض الستريك بلغت -0.39 إلكترون فولت، وهي أعلى بكثير من -0.26 إلكترون فولت لربيطة حمض الأوليك/أوليل أمين، مما يُثبت ديناميكيًا حراريًا قدرتها الأقوى على الارتباط بالسطح. كما أكدت مطيافية الأشعة تحت الحمراء بتحويل فورييه ومطيافية الأشعة السينية الكهروضوئية تكوين روابط التنسيق والروابط الهيدروجينية، مما حقق تخميلًا فعالًا للعيوب السطحية في بلورات البيروفسكايت النانوية.
الشكل 1: آلية التفاعل بين بلورات CsPbBr3 النانوية والروابط السطحية
تحسينات متعددة للخصائص البصرية للبلورات النانوية
يُحسّن التعديل باستخدام روابط حمض الستريك بشكلٍ شامل مورفولوجيا وخصائص بلورات CsPbBr3 النانوية البيروفسكيتية. من الناحية المورفولوجية، تحتفظ بلورات CsPbBr3 النانوية المُعدّلة بطورها المكعب النموذجي، مع حجم متوسط أكثر تجانسًا وتركيز توزيع حجمي مُحسّن بشكل ملحوظ، مما يُرسي أساسًا هيكليًا لأداء بصري مُحسّن.
من حيث الأداء البصري، تُظهر البلورات النانوية المُعدّلة خصائص ممتازة. إذ يستقرّ ذروة انبعاثها عند 513 نانومتر، مع انخفاض عرضها عند نصف الارتفاع (FWHM) إلى 19.7 نانومتر؛ كما ترتفع كفاءة الكم الضوئي (PLQY) بشكل ملحوظ من 67.1% إلى 95.5%، وينخفض معدل إعادة التركيب غير الإشعاعي من 68.5 ميكروثانية⁻¹ إلى 5.4 ميكروثانية⁻¹، مما يدل على تخميل كبير للعيوب. في الوقت نفسه، حسّن رابط حمض الستريك أيضًا من الاستقرار الحراري للمادة. فحتى عند درجة حرارة 100 درجة مئوية، حافظت البلورات النانوية على شدة فلورية أولية عالية، وارتفعت طاقة ربط الإكسيتون إلى 145.3 ملي إلكترون فولت. وقد ضمن هذا التأثير المعزز لربط الإكسيتون أن يحافظ النظام على مسار إعادة التركيب الذي يهيمن عليه الإكسيتون في ظل ظروف درجات الحرارة العالية، وبالتالي تحقيق تحسن تآزري في الاستقرار الحراري وكفاءة الإضاءة.
الشكل 2: مورفولوجيا وخصائص بصرية لبلورات CsPbBr3 النانوية
تحسنت كفاءة الصمام الثنائي الباعث للضوء المصنوع من البيروفسكايت الأخضر بشكل ملحوظ
استنادًا إلى بلورات نانوية من CsPbBr3 مُعدّلة بحمض الستريك، قام فريق البحث بتصميم ثنائي باعث للضوء أخضر اللون من نوع البيروفسكايت، ذي بنية ITO/NiOx/Poly-TPD/CsPbBr3/TPBi/LiF/Al، محققًا بذلك تحسنًا ملحوظًا في أداء الإضاءة الكهربائية للجهاز. يُظهر الجهاز ذروة إضاءة كهربائية عند 517 نانومتر وإحداثيات لونية CIE تبلغ (0.099، 0.755)، متجاوزًا بذلك معيار الضوء الأخضر للجنة الوطنية لأنظمة التلفزيون (NTSC)، ما يُبرز نقاءً لونيًا ممتازًا. وقد ارتفع سطوع الذروة إلى 1208 شمعة/م²، وبلغت كفاءة الكم الخارجية (EQE) ذروتها عند 13.58%، أي 2.9 ضعف كفاءة الأنظمة التقليدية. كما تحسّنت كفاءة التيار القصوى لتصل إلى 42.93 شمعة/أمبير. ويعزى هذا التحسن في الأداء إلى التخميل الفعال للعيوب من خلال هندسة الربيطة السطحية، وتعديل مسارات إعادة تركيب الناقلات، وتحسين توازن نقلها.
