Das Forschungsteam um Professor Xie Rongjun von der Fakultät für Materialwissenschaften der Universität Xiamen hat gemeinsam mit dem Team von Professor Wang Lixin der Universität Fudan erstmals den entscheidenden Mechanismus aufgeklärt, bei dem zinnbasierte Perowskite unter elektrischem Feld durch elektrochemische Oxidation die Lumineszenzabnahme von LEDs (Leuchtdioden) verursachen. Sie schlugen eine synergistische Strategie aus Gitterdotierung und Oberflächenpassivierung vor und stellten erfolgreich hocheffiziente, langlebige zinnbasierte Perowskit-LEDs her, was eine wichtige theoretische Grundlage und technischen Weg für die Entwicklung leistungsfähiger bleifreier Perowskit-Optoelektronikbauelemente bietet. Die Forschungsergebnisse wurden am 27. in der internationalen Fachzeitschrift „Science" veröffentlicht.

Nahinfrarot-zinnbasierte Perowskit-LEDs bieten Vorteile wie geringe Toxizität, Lösungsverarbeitbarkeit und niedrige Kosten und haben vielversprechende Anwendungsperspektiven in Bereichen wie optischer Kommunikation, Nachtsichtbildgebung, Datenspeicherung und biomedizinischer Detektion. Aufgrund der Materialeigenschaften, dass zweiwertige Zinnionen leicht oxidieren und der Kristallisationsprozess von zinnbasierten Perowskiten schwer zu kontrollieren ist, blieben die Lumineszenzeffizienz und Stabilität der Bauelemente jedoch lange Zeit hinter bleibasierten Perowskit-LEDs und herkömmlichen Quantenpunkt-LEDs zurück, was ihre praktische Anwendung einschränkte.

Um dieses Problem zu lösen, analysierte das Forschungsteam systematisch die Strukturveränderungen der zinnbasierten Perowskit-Dünnschichten unter elektrischem Feld, die Valenzänderungen der Zinnionen sowie den Lumineszenzabnahmeprozess der Bauelemente und identifizierte die elektrochemische Oxidation durch Ladungsträgerinjektions-Ungleichgewicht als grundlegende Ursache für das Bauelementversagen. Beim Betrieb unter Strom sammeln sich im Inneren zu viele leitfähige Ladungsträger an, die zusammen mit der inhärenten Leitfähigkeit des Materials dazu führen, dass zweiwertiges Zinn irreversibel oxidiert wird, was wiederum eine Veränderung der Kristallstruktur, eine Degradation der Lumineszenzeigenschaften und einen abrupten Abfall der Lumineszenzeffizienz des Bauelements verursacht.

Auf Grundlage dieser Erkenntnisse wendeten die Forscher eine synergistische Strategie aus Gitterdotierung und Oberflächenpassivierung an, um die Perowskit-Kristallstruktur zu stabilisieren, den Ladungsträgertransport zu verbessern und nichtstrahlende Übergänge zu unterdrücken. Dadurch stellten sie erfolgreich Nahinfrarot-zinnbasierte Perowskit-LEDs mit hervorragender Leistung her. Die Spitzen-External-Quantum-Efficiency dieses Bauelements erreicht 21,2 %, und die Arbeitslebensdauer übersteigt 900 Stunden.

Dieses Ergebnis zeigt, dass Nahinfrarot-zinnbasierte Perowskit-LEDs unter Beibehaltung ihrer umweltfreundlichen Vorteile einen substanziellen Durchbruch bei den optoelektronischen Eigenschaften erzielt haben und neuartige Nahinfrarot-Lichtquellen für Anwendungsbereiche wie optische Kommunikation und biomedizinische Bildgebung bieten können.