Los nanocristales de perovskita de haluro metálico se han convertido en materiales candidatos ideales para la tecnología de pantallas debido a sus excelentes propiedades optoelectrónicas. Sin embargo, la débil coordinación y la estructura de cadena larga de los ligandos tradicionales (como el ácido oleico/oleilamina) provocan graves defectos superficiales y un transporte de portadores limitado, lo que restringe la mejora del rendimiento de los diodos emisores de luz de perovskita (PeLED). Para abordar este problema, el equipo liderado por Rongjun Xie de la Facultad de Ciencia e Ingeniería de Materiales de la Universidad de Xiamen publicó un artículo de investigación titulado "El ligando de citrato mejora la eficiencia luminosa de los diodos emisores de luz de perovskita verde" en el *Journal of Luminescence*. El equipo de investigación desarrolló un ligando de ácido cítrico (CA) de cadena corta y fuertemente quelante que forma múltiples enlaces de coordinación y enlaces de hidrógeno con la superficie del nanocristal a través de su grupo ácido carboxílico (-COOH) y su grupo hidroxilo (-OH), logrando una pasivación eficiente de los defectos superficiales en los nanocristales de CsPbBr3. El diodo emisor de luz de perovskita verde construido basándose en esta estrategia alcanzó una eficiencia cuántica externa (EQE) máxima del 13,58 %, lo que proporciona una nueva solución eficiente y de bajo coste para la manipulación de la superficie de la perovskita.
Mecanismo de interacción del ligando
El equipo de investigación seleccionó de forma innovadora el ácido cítrico como ligando, introduciéndolo en el sistema de nanocristales de perovskita CsPbBr3 mediante un proceso de intercambio de ligando post-sintético. Como ligando quelante multidentado, los grupos carboxilo e hidroxilo del ácido cítrico pueden unirse de forma estable a la superficie de CsPbBr3 mediante una interacción dual de coordinación bidentada y enlaces de hidrógeno. Los cálculos de la teoría del funcional de la densidad (DFT) mostraron que la energía de adsorción del ligando de ácido cítrico alcanzó -0,39 eV, significativamente superior a los -0,26 eV del ligando de ácido oleico/oleilamina, lo que demuestra termodinámicamente su mayor capacidad de unión a la superficie. La espectroscopia infrarroja por transformada de Fourier y la espectroscopia de fotoelectrones de rayos X verificaron además la formación de enlaces de coordinación y enlaces de hidrógeno, logrando una pasivación eficiente de los defectos superficiales en los nanocristales de perovskita.
Figura 1: Mecanismo de interacción entre nanocristales de CsPbBr3 y ligandos de superficie.
Múltiples optimizaciones de las propiedades ópticas de los nanocristales
La modificación con ligandos de ácido cítrico mejora de forma integral la morfología y las propiedades ópticas de los nanocristales de perovskita CsPbBr3. Morfológicamente, los nanocristales de CsPbBr3 modificados conservan su fase cúbica típica, con un tamaño promedio más uniforme y una concentración de distribución de tamaño significativamente mejorada, lo que sienta las bases estructurales para un rendimiento óptico superior.
En términos de rendimiento óptico, los nanocristales modificados exhiben excelentes características. Su pico de emisión se estabiliza en 513 nm, con un ancho a media altura (FWHM) que se reduce a 19,7 nm; la eficiencia cuántica de fotoluminiscencia (PLQY) aumenta significativamente del 67,1 % al 95,5 %, y la tasa de recombinación no radiativa disminuye de 68,5 μs⁻¹ a 5,4 μs⁻¹, lo que demuestra una pasivación de defectos significativa. Asimismo, el ligando de ácido cítrico también mejoró la estabilidad térmica del material. Incluso a 100 °C, los nanocristales mantuvieron una alta intensidad de fluorescencia inicial, y la energía de enlace del excitón aumentó a 145,3 meV. Este efecto de enlace de excitón mejorado aseguró que el sistema mantuviera la vía de recombinación dominada por excitones en condiciones de alta temperatura, logrando así una mejora sinérgica en la estabilidad térmica y la eficiencia de luminiscencia.
Figura 2: Morfología y propiedades ópticas de nanocristales de CsPbBr3
La eficiencia de los diodos emisores de luz de perovskita verde ha mejorado significativamente.
Basándose en nanocristales de CsPbBr3 modificados con ácido cítrico, el equipo de investigación construyó un diodo emisor de luz de perovskita verde con una estructura ITO/NiOx/Poly−TPD/CsPbBr3/TPBi/LiF/Al, logrando una mejora significativa en el rendimiento de electroluminiscencia del dispositivo. El dispositivo exhibe un pico de electroluminiscencia a 517 nm y coordenadas de color CIE de (0,099, 0,755), superando ampliamente el estándar de luz verde de la gama de colores del Comité Nacional de Sistemas de Televisión (NTSC), demostrando una excelente pureza de color. El brillo máximo aumenta a 1208 cd/m², y la eficiencia cuántica externa (EQE) máxima alcanza el 13,58 %, 2,9 veces la de los sistemas convencionales. La eficiencia de corriente máxima también mejora a 42,93 cd/A. Esta mejora en el rendimiento se atribuye a la pasivación efectiva de los defectos mediante la ingeniería de ligandos superficiales, la modulación de las vías de recombinación de portadores y la optimización de su equilibrio de transporte.
