加拿大西安大略大學（Western University）化學系丁志峰（Zhifeng Ding） 課題組利用電化學阻抗譜學（Electrochemical Impedance Spectroscopy，EIS），緊密跟蹤石墨烯量子點（Graphene Quantum Dots，GQDs）發光電化學池（Light-Emitting Electrochemical Cells，LECs）在不施加電壓、p-n結形成、及發光等過程中的等效電路的變化。該課題組在發光過程的電化學阻抗譜中，首次觀察到了一種類似于電感的現象，并且結合光電實驗提出：在LECs中p-n結的形成創造的磁場，會抵抗低頻電壓的變化而產生感應電流，從而觀察到此現象。

發光電化學池類似于發光二極管（LEDs），是一種電致發光器件。在外加電場的作用下，離子的遷移、電子的轉移和p-n結的形成等過程對LECs的發光起著至關重要的作用。然而到目前為止，人們對此等過程的研究和理解還不夠深入�？紤]到此，丁博士課題組利用相轉移法，將發光材料石墨烯量子點從水相轉移至有機相，用溶液法組裝了一種石墨烯量子點電化學發光池器件 （GQD LECs）。丁教授研究小組利用電化學阻抗譜學，結合以上不同過程中的等效電路，分析了LECs工作過程中的電學以及電化學機理。

該LEC器件的結構如圖1a的內置圖所示。結合圖1a的電流-電壓曲線和亮度-電壓曲線，在0-10 V的外加電壓范圍內可以觀察到三個過程：0 V時開始施加電壓，4 V時p-n結形成，以及大于4 V時器件開始發光。全過程下該LEC的電致發光光譜如圖1b所示：660 nm的主峰對應于GQD的表面態（surface states），而440 nm的肩峰對應于GQD的核心發射態（core states）。接下來，作者利用EIS分別對上述三個過程進行了表征和分析。

其中，在LEC發光過程中（>4 V）的EIS譜圖如圖2所示。在較高頻率10⁵-10² Hz范圍內，其EIS譜圖與前兩過程一致，等效電路也可適用。然而在低頻條件下（<10² Hz），作者觀察到電路總阻抗|Z|在不斷減小，直到1 Hz時達到了最小值；同時，還觀察到了EIS譜圖中的相角?達到了正值，這表明在施加此電壓前，電路中就已經產生了電流：此種現象類似于常常在高頻范圍產生的感應電流（電感）�；�于電感在低頻條件下不易產生的事實，作者提出：在p-n結形成之后，LECs器件中會促使電子移動的離子（TOA⁺, K⁺, Br^‐ and I^‐）遷移可以形成一個微小的磁場，類似于電感現象；該磁場會在低頻條件下產生與交流電流（AC）相反的感應電流。同時作者還表明，可以通過此現象來分析LEC器件中過電位或者副{attr}3209{/attr}等不利因素的存在。該研究有助于深化理解LEC器件工作機理，也對組裝LECs、提高其發光效率提供了新的思路。

論文信息：

Closely Following Equivalent Circuit Changes during Operation of Graphene Dot Light‐Emitting Electrochemical Cells

Jonathan Ralph Adsetts, Zackry Whitworth, Kenneth Chu, Liuqing Yang, Congyang Zhang and Prof. Zhifeng Ding*

文章的并列第一作者為博士生Jonathan Ralph Adsetts和本科生Zackry Whitworth。接下來的三位研究者均為課題組的博士生。

ChemElectroChem

DOI: 10.1002/celc.202101512