페로브스카이트 발광다이오드(PeLEDs)는 고유한 광전자 특성으로 인해 차세대 디스플레이 기술을 위한 유망한 플랫폼을 제공한다. 진공 증착은 상용화를 위해 요구되는 확장성과 균일성을 제공함에도 불구하고, 진공 증착된 PeLED는 일반적으로 용액 공정 기반 소자에 비해 낮은 외부 양자 효율(EQE)을 나타낸다. 이 문제를 해결하기 위해서는 전하 가둠(carrier confinement)을 구현하고 비복사 재결합(non-radiative recombination)을 억제하기 위한 혁신적인 전략이 필요하다. 본 연구에서는 조절된 공증착(controlled co-evaporation)을 통해, 넓은 밴드갭의 Cs₄PbBr₆ 매트릭스 내에 삽입된 Cs_1−xMA_xPbBr₃ 나노결정(NC; MA = 메틸암모늄)을 정밀한 조성 조절로 제조하여 고효율 진공 증착 PeLED를 구현하였다. MABr에 PbBr₂를 소량 첨가하면 후자의 증발 안정성뿐 아니라 결과 박막의 균일성이 크게 향상되며, 그 결과 Cs_1−xMA_xPbBr₃ NC의 제어된 성장이 가능해진다. 생성된 Cs_1−xMA_xPbBr₃/Cs₄PbBr₆ 나노구조에서 MA 함량(x)은 잔류 기체 분석기(residual gas analyzer)를 사용하여 정밀하게 조절하고 in situ로 모니터링한다. 최적의 x 값(0.19)에서, MA 무첨가 소자 대비 1.9배에 달하는 괄목할 만한 EQE 향상을 달성하였다. 이러한 향상은 MA 양이온의 제어된 도입에 기인하며, 그로 인해 평균 NC 크기와 입자 간 간격이 증가한다. 구조적 변화는 발광(photoluminescence) 강도를 증대시키고 여기자(exciton) 감쇠 수명을 연장하여, 표면 결함과 관련된 비복사 재결합 경로가 억제됨을 시사한다.

유기 발광 다이오드(OLEDs)는 높은 명암비, 선명한 색상, 유연한 폼팩터와 같은 장점을 제공하지만, IT 및 자동차 디스플레이와 같이 요구 성능이 높은 환경에서의 활용은 짧은 동작 수명과 낮은 발광 효율로 인해 제한된다. 전하 생성층(charge generation layers, CGLs)을 통해 전하 생성층으로 연결된 다수의 전계발광 단위를 적층한 탠덤 OLED는 유망한 해결책을 제공한다. 그러나 효율적이고 안정적인 n형 CGL(nCGL)의 개발은 금속 도핑 유기 반도체와 관련된 문제들로 인해 특히 여전히 어려운 과제로 남아 있다. 본 연구에서는 열적으로 안정한 호스트인 4,5-다이아자-9,9-스피로플루오렌(Dasf)에 이트륨이 아닌 얄테르븀(Ytterbium, Yb)을 도핑한 시스템을 활용하여 효과적인 nCGL을 제시한다. 최적화 결과, 피크 성능을 위한 이상적인 도핑 수준은 10 wt.% Yb(1:1 몰비)로 확인되었다. 광전자 분광법과 밀도범함수이론은 Yb와 Dasf의 질소 원자 사이에서 강한 전하 전달 복합체가 형성됨을 확인한다. 이러한 상호작용은 Yb의 6s 오비탈이 Dasf의 LUMO와의 혼성화를 통해 페르미 준위 근처의 전자 상태를 형성하여 전자 주입 및 수송을 향상시킨다. 이 최적화된 nCGL을 포함하는 OLED는 단일 단위 소자에 비해 외부 양자 효율이 1.6배 향상되고 동작 수명은 1.7배 증가한다. 본 연구는 고성능 탠덤 OLED를 위한 유망한 nCGL 소재로서 Yb 도핑 Dasf를 제시한다.