In the Beginning There was Light: Blue Emissive Perovskite Nanocrystals Synthesis, Post-Synthetic Modifications, and Their Optoelectronic Properties

Abstract

Bleihalogenidperowskite stehen seit kurzer Zeit im Fokus der Forschung, weil sie vielversprechende Eigenschaften für neuartige Anwendungen im Bereich von elektrolumineszenten Leuchtdioden aufweisen. Besonders interessant sind dabei deren Nanopartikel, die typische Eigenschaften des Bulk-Materials wie Defekttoleranz mit den Vorteilen kolloidaler Quantenpunkte wie der Anpassungsmöglichkeit der Bandlücke und hohe Photolumineszenz Quantenausbeuten vereinen. Bislang zeigen elektrolumineszierende Nanopartikeln das Problem, dass hohe Quantenausbeuten und effektiver Ladungstransport nicht gleichzeitig gegeben ist. Bei LHP-Nanokristallen können ähnliche Probleme auftreten, was jedoch noch nicht im Detail erforscht wurde. Neben den Effizienzproblemen leiden Perovskit Nanopartikel unter verschiedenen Instabilitätsproblemen, was ihre Verwendung in optoelektrischen Geräten einschränkt. Die vorliegende kumulative Dissertation widmet sich daher der Entwicklung innovativer Ansätze zur Optimierung von Perovskit-Nanopartikeln und deren Verwendung in elektrolumineszenten Leuchtdioden (ELQLED). Das Ziel der Arbeit besteht darin, Cäsium-Bleihalogenid- Perovskit-Nanopartikel so zu modifizieren, dass ihre Stabilität erhöht wird, während sie gleichzeitig den balanceact erfüllen helle Emitter und gute elektrische Leiter zu sein. Diese Arbeit soll dazu beitragen, die Effizienz und Qualität von ELQLEDs zu verbessern und somit einen wichtigen Beitrag zur Weiterentwicklung der Beleuchtungstechnologie zu leisten. Zunächst konzentriert die Arbeit sich auf die Untersuchung von selbstorganisierten Cäsium-Bleihalogenid-Perowskit-Nanokristall-Superkristallen und ihre optischen Eigenschaften. Durch ortsaufgelöste Fluoreszenz- und Röntgen-Nanodiffraktionsmessungen konnten Oberflächendefekte aufgedeckt werden, die zu einer Blauverschiebung und einer verringerten Fluoreszenzlebensdauer führten. Es wurde gezeigt, dass ein Verlust an struktureller Kohärenz, ein zunehmender atomarer Versatz zwischen benachbarten Nanokristallen und eine zunehmende Druckbelastung nahe der Oberfläche des Superkristalls für die beobachteten optischen Effekte verantwortlich sind. Die Ergebnisse betonen die Wichtigkeit einer Herstellung von strukturell hochwertigen Emitterfilmen für die Anwendung von Perowskiten in Dioden. Anschließend lag der Fokus darauf, die Ligandenhülle der Nanokristalle gezielt durch einen eigens synthetisierten zwitterionischen Liganden zu modifizieren. Dieser Ligand wurde vollständig durch Kernspinresonanzspektroskopie und Massenspektrometrie charakterisiert und seine Auswirkungen auf die elektronischen Eigenschaften der Nanokristalle untersucht. Die erfolgreich ausgetauschten Partikel konnten anschließend in einem elektrolumineszenten Bauteil mit erhöhter Effizienz und Stabilität integriert werden. Es konnte gezeigt werden, dass durch Austausch mit geeigneten Liganden die Effizienz und Stabilität in LEDs erhöht werden kann. Im Folgenden wurden die optischen und elektronischen Effekte der Dotierung von Nanopartikeln in LEDs mit einem organischen Lithiumsalz, LiTFSI, untersucht. Durch Photolumineszenzspektroskopie, einschließlich zeitaufgelöster und parallelpolarisierter winkelabhängiger Messungen, konnte gezeigt werden, dass die Dotierung die Quan-tenausbeute und die Lichtauskopplung im Vergleich zu undotierten Nanopartikeln verbessert. Röntgen-Photoelektronenspektroskopie offenbarte eine Verringerung der Energiebarriere für die Injektion von Löchern und damit eine verbesserte Balance der Ladungsträger. Dadurch konnte die Effizienz der blauen LEDs im Vergleich zu unbe-handelten Nanopartikeln verbessert werden. Zuletzt wurde mittels Röntgenphotoelektronenspektroskopie der Zersetzungsmechanismus von Cäsium-Bleihalogenid-Perowskit-Nanokristallen untersucht, wobei die Abhängigkeit vom Oberflächenliganden im Fokus stand. Es konnte gezeigt werden, dass durch Ligandenaustausch der Zerfallsmechanismus verlangsamt werden konnte. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass in dieser Dissertation mit besonderem Schwerpunkt auf blau emittierenden Perowskit-Nanokristallen die Wirksamkeit eines gezielten Ligandenaustauschs als praktischer Ansatz zur Verbesserung der Stabilität, der elektrischen Leitfähigkeit und der optischen Eigenschaften experimentell validiert wurde. Die Forschungsarbeit ist ein wichtiger Beitrag zu den laufenden Bemühungen, effizientere und zuverlässigere LEDs zu entwickeln. Sie befasst sich insbesondere mit den Effizienzbeschränkungen von blauen LEDs im Vergleich zu ihren roten und grünen Gegenstücken. Die erzielten Ergebnisse stellen somit vielversprechende Ansätze für die Anwendung dieser Nanokristalle in optimierten Leuchtdioden dar.