حظيت أشباه الموصلات الهجينة العضوية-غير العضوية من نوع البيروفسكايت باهتمام واسع النطاق نظرًا لخصائصها الكهروضوئية الممتازة، وتُستخدم على نطاق واسع في الخلايا الشمسية، والخلايا الكهروضوئية، والليزر، والثنائيات الباعثة للضوء (مصابيح LED). ومن بين هذه المواد، أصبحت الثنائيات الباعثة للضوء القائمة على البيروفسكايت (وخاصةً تلك التي تستخدم CH₃نيو هامبشاير₃بروميد الرصاص₃) مجالًا بحثيًا واعدًا للغاية خلال العقد الماضي. ومع ذلك، فإن الحالات المحصورة (وخاصةً تلك الموجودة عند الأسطح البينية) تحدّ بشدة من أداء واستقرار ثنائيات البيروفسكايت الباعثة للضوء. تعمل هذه الحالات الموضعية للطاقة داخل فجوة النطاق على حصر وإطلاق حاملات الشحنة، مما يقلل من حركة حاملات الشحنة، ويزيد من إعادة التركيب غير الإشعاعي، ويؤدي إلى انخفاض كفاءة الجهاز. تنشأ الحالات المحصورة في ثنائيات البيروفسكايت الباعثة للضوء بشكل رئيسي من حدود الحبيبات، والعيوب الجوهرية، وتفاعلات الأسطح البينية. على سبيل المثال، يمكن أن تتسبب عيوب نقطية محددة، مثل فراغات الهالوجين وفراغات الموقع A، ومواقع الهالوجين المضادة، والفراغات البينية للهالوجين، في خسائر غير إشعاعية. تُشكل فراغات الهالوجين مواقع موجبة الشحنة، مما يُدخل حالات عيب في فجوة النطاق، وبالتالي يحبس الإلكترونات ويُعادل الفجوات، مما يؤدي إلى إعادة تركيب الإلكترون-الفجوة بمساعدة المصائد، الأمر الذي يُقلل بشكل كبير من كفاءة الجهاز.
قدم وو وزملاؤه سابقًا دليلًا مباشرًا على وجود هذه المصائد في أغشية البيروفسكايت الرقيقة المصنوعة من يوديد الرصاص الميثيل أمونيوم باستخدام مطيافية الفوتونات فوق البنفسجية. في المقابل، قد يؤدي وجود كميات زائدة من الهالوجينات في البيئة إلى تكوين طبقات سطحية غنية بالهالوجينات، مما ينتج عنه تأثير التخميل الذاتي، ويعزز توليد الإكسيتونات، ويزيد من معدل إعادة التركيب الإشعاعي. يُعد إعادة التركيب غير الإشعاعي بمساعدة المصائد عاملًا رئيسيًا يؤدي إلى فقدان كفاءة الإضاءة، خاصةً عند انخفاض كثافة حاملات الشحنة. بالإضافة إلى تعزيز إعادة التركيب، قد تصبح الحالات المحصورة أيضًا قنوات لهجرة الأيونات، مما يزيد من تدهور أداء الجهاز. تتمثل مشكلة رئيسية أخرى في عدم توازن حقن حاملات الشحنة في ثنائيات البيروفسكايت الباعثة للضوء، مما يؤدي إلى تراكم حاملات الشحنة عند السطح البيني، ويحفز إعادة التركيب غير الإشعاعي، ويؤدي إلى إخماد كبير في الإضاءة. لمعالجة هذه المشكلة، أثبت تحقيق التوازن في حركة حاملات الشحنة بين طبقة نقل الإلكترونات وطبقة نقل الفجوات فعاليته كاستراتيجية لضمان حقن متوازن لحاملات الشحنة داخل ثنائيات البيروفسكايت الباعثة للضوء. علاوة على ذلك، يؤدي انتقال الأيونات الناتج عن المجال الكهربائي إلى تفاقم هذه التحديات، مما ينتج عنه سلوكيات شاذة مثل التخلف في التيار الضوئي، والتخلف في منحنى التيار-الجهد، وإمكانية تبديل قطبية الجهاز، وارتفاع ثابت العزل الكهربائي الساكن بشكل غير طبيعي. كما يؤدي انتقال الأيونات إلى تفاقم تكوين وتفعيل الحالات المحصورة، مما يزيد من آثارها الضارة على أداء الجهاز.
أثبت فريق البحث سابقًا أن التخميل باستخدام مركبات الكلور العضوية (مثل كلوريد الكولين) يُمكن أن يُثبط هجرة الأيونات ويُقلل من حالات الانحصار في مصابيح قاد المصنوعة من البيروفسكايت، مما يُحسّن استقرار الطيف وأداء الجهاز. وقد أكدت دراسات حديثة فعالية استراتيجيات تخميل العيوب في تحسين كفاءة الجهاز عن طريق تقليل حالات الانحصار وهجرة الأيونات. على سبيل المثال، أثبت شو وزملاؤه إمكانية إنتاج مصابيح قاد زرقاء داكنة مستقرة اللون من البيروفسكايت باستخدام هندسة مركبات الكلور العضوية، حيث يكمن المفتاح في تقليل حالات الانحصار وهجرة الأيونات. وبالمثل، أشار يون وزملاؤه إلى التحديات التي تُفرضها هجرة الأيونات وحالات الانحصار على مصابيح قاد الزرقاء المصنوعة من بروميد الرصاص والسيزيوم من البيروفسكايت، واقترحوا استخدام هيدروبروميد الهيدرازين للهندسة التركيبية للتحكم في مستويات العيوب وتقليل اقتران الفونونات، مما يُحسّن كفاءة الجهاز. ومع ذلك، تُركز هذه الدراسات بشكل أساسي على هندسة المواد ولا تستكشف ديناميكيات حاملات الشحنة على السطح البيني بشكل مباشر أو تُحلل إعادة التركيب بمساعدة المصائد كميًا. علاوة على ذلك، على الرغم من أن استراتيجيات تخميل العيوب قد ثبت أنها تكبح هجرة الأيونات، إلا أن تأثيرها على توازن حقن الشحنة لا يزال بحاجة إلى استكشاف متعمق.
استخدم باحثون في جامعة تشنغ كونغ الوطنية في تايوان، بقيادة تسونغ فانغ غو، تقنية مطيافية الممانعة لدراسة الحالات المحصورة، وديناميكيات السطح البيني، وديناميكيات حاملات الشحنة في ثنائيات باعثة للضوء (مصابيح LED) مصنوعة من البيروفسكايت CH₃نيو هامبشاير₃بروميد الرصاص₃، مستكشفين كيف يُحسّن تخميل العيوب باستخدام كلوريد الكولين ديناميكيات حاملات الشحنة على السطح البيني. تُمكّن هذه التقنية من دراسة السلوك الكهربائي للجهاز، كاشفةً كيف تؤثر الحالات المحصورة على السعة، وحقن حاملات الشحنة، وعمليات إعادة التركيب - وهي أمور بالغة الأهمية لتحسين كفاءة الجهاز واستقراره. تُظهر الدراسة أن التخميل الفعال للعيوب يُثبّط بشكل كبير إعادة التركيب غير الإشعاعي، ويُخفف من هجرة الأيونات، ويضمن حقنًا ونقلًا أكثر توازنًا للشحنة. ولتحليل هذه التأثيرات، تم اشتقاق وتقييم علاقات السعة المعتمدة على الجهد، وعلاقات السعة-السطوع-الجهد، والسعة المعتمدة على التردد. تُظهر هذه التحليلات أن الأجهزة المُخَمَّلة تُظهر انخفاضًا في كثافة المصائد، وكبحًا لاستقطاب الأيونات، وتعزيزًا لإعادة التركيب الإشعاعي، مما يؤكد تحسن ديناميكيات حاملات الشحنة عند السطح البيني. وبالمقارنة مع الدراسات السابقة التي ركزت بشكل أساسي على اتجاهات أداء الجهاز والخصائص الكهربائية التكميلية، تركز هذه الورقة البحثية على عملية تحليل تشخيصية تعتمد على مطيافية الممانعة. وقد تم توسيع نطاق التحليل ليشمل دوال الاستجابة المُحَلَّلة بالتردد ورسم خرائط منطقة الانحياز، وتم تمييز استجابة مصائد الإلكترونات بوضوح عن مساهمة الأيونات الأبطأ، مما يوفر تفسيرًا أكثر آلية لتراكم الشحنة وإعادة التركيب والاستقرار.
