All-inorganic perovskite has good thermal and chemical stability, easily tunable band gap by changing the elemental composition, high absorption coefficient, and cost-effectiveness. Owing to these advantages, it is widely accepted in next-generation optoelectronics. However, surface defects and non-uniform film morphology, which are formed while fabricating, induce non-radiative recombination and cause high leakage current, followed by lower device performance. Previously, numerous interfacial engineering studies using Lewis base were proceeded in order to passivate the defects or improve the morphology.
Here, motivated from the previous research, block copolymer nanopatterning was applied as substrate layer for perovskite film to maximize the interfacial engineering effect. Among various block copolymers, polystyrene-b-poly(methyl methacrylate) (PS-b-PMMA) was adopted since it contains Lewis base oxygen group and increases the surface area via surface-reconstruction. PS-b-PMMA nanopatterning leads to defect passivation and uniform morphology by altering the interface of all-inorganic perovskite composite film. In short, the introduction of block copolymer nanopattern increased the photoluminescence (PL) and photoluminescence quantum yield (PLQY) by 13.9 %, 4.8 %, respectively, and the average carrier lifetime by 4.6 times compared to the existing perovskite film.
무기 페로브스카이트는 좋은 열적, 화학적 안정성을 가지고 있고, 구성하는 원소비를 바꿈으로써 쉽게 밴드갭을 조절할 수 있으며, 높은 흡광 계수를 가질 뿐만 아니라 원재료가 저렴하다는 특징 덕분에 차세대 광전자 소자 연구에 응용되고 있다. 이 같은 장점에도 불구하고, 페로브스카이트 필름 제작 시에 생겨나는 표면 결함과 불균일한 필름 구조는 비발광 재결합을 유도하고 높은 누설 전류를 야기하여 소자 성능에 악영향을 미친다. 기존에는 이를 해결하고자 루이스 염기를 활용하여 결함을 제어하거나 형태를 개선하는 계면 제어 연구가 많이 진행되었다.
이 점에 착안하여, 계면 제어 효과를 극대화시키고자 본 논문에서는 블록 공중합체 나노패터닝을 페로브스카이트 필름의 기저층으로 활용하였다. 폴리스타이렌-폴리(메틸 메타크릴레이트) 블록 공중합체의 경우 루이스 염기 산소 그룹을 포함하고 있고 표면 재구조화 과정을 통해 표면적을 넓힐 수 있어 채택되었다. 폴리스타이렌-폴리(메틸 메타크릴레이트) 나노패터닝은 무기 페로브스카이트 복합체의 계면을 변화시킴으로써 결함을 제어하고 보다 균일한 형태의 필름 제작을 유도하였다. 결과적으로 블록 공중합체 나노패턴의 도입으로 기존의 페로브스카이트 필름 대비 광발광, 광발광 양자 효율이 각각 13.9 %, 4.8 % 그리고 평균 캐리어 수명이 약 4.6배 증가하였다.
