Les nanocristaux de pérovskite halogénée métallique sont devenus des matériaux candidats idéaux pour les technologies d'affichage grâce à leurs excellentes propriétés optoélectroniques. Cependant, la faible coordination et la structure à longue chaîne des ligands traditionnels (tels que l'acide oléique/l'oléylamine) entraînent d'importants défauts de surface et un transport limité des porteurs de charge, ce qui restreint l'amélioration des performances des diodes électroluminescentes à pérovskite (PeLED). Pour remédier à ce problème, l'équipe dirigée par Rongjun Xie de l'École des sciences et de l'ingénierie des matériaux de l'Université de Xiamen a publié un article de recherche intitulé « Un ligand citrate améliore l'efficacité lumineuse des diodes électroluminescentes à pérovskite vertes » dans le *Journal of Luminescence*. L'équipe de recherche a développé un ligand d'acide citrique (AC) à chaîne courte et fortement chélatant, qui forme de multiples liaisons de coordination et liaisons hydrogène avec la surface du nanocristal grâce à ses groupes acide carboxylique (-COOH) et hydroxyle (-OH), permettant ainsi une passivation efficace des défauts de surface dans les nanocristaux de CsPbBr₃. La diode électroluminescente à pérovskite verte construite sur la base de cette stratégie a atteint une efficacité quantique externe (EQE) maximale de 13,58 %, offrant une nouvelle solution peu coûteuse et efficace pour la manipulation de la surface de la pérovskite.
Mécanisme d'interaction du ligand
L'équipe de recherche a innové en sélectionnant l'acide citrique comme ligand, qu'elle a introduit dans le système de nanocristaux de pérovskite CsPbBr₃ par un procédé d'échange de ligand post-synthétique. En tant que ligand chélatant multidentate, les groupes carboxyle et hydroxyle de l'acide citrique se lient de manière stable à la surface de CsPbBr₃ grâce à une double interaction de coordination bidentate et de liaison hydrogène. Les calculs de la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT) ont montré que l'énergie d'adsorption du ligand acide citrique atteignait -0,39 eV, valeur nettement supérieure à celle de l'acide oléique/oléylamine (-0,26 eV), démontrant ainsi thermodynamiquement sa plus forte affinité pour la surface. La spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (FTIR) et la spectroscopie photoélectronique X (XPS) ont confirmé la formation de liaisons de coordination et de liaisons hydrogène, permettant une passivation efficace des défauts de surface dans les nanocristaux de pérovskite.
Figure 1 : Mécanisme d'interaction entre les nanocristaux de CsPbBr3 et les ligands de surface
Optimisations multiples des propriétés optiques des nanocristaux
La modification par des ligands d'acide citrique améliore considérablement la morphologie et les propriétés optiques des nanocristaux de pérovskite CsPbBr₃. Sur le plan morphologique, les nanocristaux de CsPbBr₃ modifiés conservent leur phase cubique typique, avec une taille moyenne plus uniforme et une distribution granulométrique nettement améliorée, ce qui constitue un fondement structurel pour des performances optiques accrues.
En termes de performances optiques, les nanocristaux modifiés présentent d'excellentes caractéristiques. Leur pic d'émission se stabilise à 513 nm, avec une largeur à mi-hauteur (FWHM) réduite à 19,7 nm ; le rendement quantique de photoluminescence (PLQY) augmente significativement, passant de 67,1 % à 95,5 %, et le taux de recombinaison non radiative diminue de 68,5 μs⁻¹ à 5,4 μs⁻¹, démontrant une passivation significative des défauts. Parallèlement, le ligand acide citrique améliore également la stabilité thermique du matériau. Même à 100 °C, les nanocristaux conservent une intensité de fluorescence initiale élevée, et l'énergie de liaison des excitons atteint 145,3 meV. Cet effet de liaison excitonique renforcé garantit le maintien d'une voie de recombinaison dominée par les excitons à haute température, permettant ainsi une amélioration synergique de la stabilité thermique et du rendement de luminescence.
Figure 2 : Morphologie et propriétés optiques des nanocristaux de CsPbBr3
L'efficacité des diodes électroluminescentes à pérovskite verte s'est considérablement améliorée.
À partir de nanocristaux de CsPbBr3 modifiés par l'acide citrique, une équipe de recherche a conçu une diode électroluminescente (DEL) verte à pérovskite, de structure ITO/NiOx/Poly-TPD/CsPbBr3/TPBi/LiF/Al, améliorant significativement les performances d'électroluminescence du dispositif. Ce dernier présente un pic d'électroluminescence à 517 nm et des coordonnées colorimétriques CIE de (0,099 ; 0,755), dépassant largement la norme de lumière verte du gamut de couleurs NTSC (National Television Systems Committee), ce qui témoigne d'une excellente pureté des couleurs. La luminance maximale atteint 1 208 cd/m², et l'efficacité quantique externe (EQE) maximale est de 13,58 %, soit 2,9 fois supérieure à celle des systèmes conventionnels. L'efficacité lumineuse maximale est également améliorée, atteignant 42,93 cd/A. Cette amélioration des performances est attribuée à la passivation efficace des défauts grâce à l'ingénierie des ligands de surface, à la modulation des voies de recombinaison des porteurs et à l'optimisation de leur équilibre de transport.
