加拿大西安大略大学（Western University）化学系丁志峰（Zhifeng Ding） 课题组利用电化学阻抗谱学（Electrochemical Impedance Spectroscopy，EIS），紧密跟踪石墨烯量子点（Graphene Quantum Dots，GQDs）发光电化学池（Light-Emitting Electrochemical Cells，LECs）在不施加电压、p-n结形成、及发光等过程中的等效电路的变化。该课题组在发光过程的电化学阻抗谱中，首次观察到了一种类似于电感的现象，并且结合光电实验提出：在LECs中p-n结的形成创造的磁场，会抵抗低频电压的变化而产生感应电流，从而观察到此现象。

发光电化学池类似于发光二极管（LEDs），是一种电致发光器件。在外加电场的作用下，离子的迁移、电子的转移和p-n结的形成等过程对LECs的发光起着至关重要的作用。然而到目前为止，人们对此等过程的研究和理解还不够深入。考虑到此，丁博士课题组利用相转移法，将发光材料石墨烯量子点从水相转移至有机相，用溶液法组装了一种石墨烯量子点电化学发光池器件 （GQD LECs）。丁教授研究小组利用电化学阻抗谱学，结合以上不同过程中的等效电路，分析了LECs工作过程中的电学以及电化学机理。

该LEC器件的结构如图1a的内置图所示。结合图1a的电流-电压曲线和亮度-电压曲线，在0-10 V的外加电压范围内可以观察到三个过程：0 V时开始施加电压，4 V时p-n结形成，以及大于4 V时器件开始发光。全过程下该LEC的电致发光光谱如图1b所示：660 nm的主峰对应于GQD的表面态（surface states），而440 nm的肩峰对应于GQD的核心发射态（core states）。接下来，作者利用EIS分别对上述三个过程进行了表征和分析。

其中，在LEC发光过程中（>4 V）的EIS谱图如图2所示。在较高频率10⁵-10² Hz范围内，其EIS谱图与前两过程一致，等效电路也可适用。然而在低频条件下（<10² Hz），作者观察到电路总阻抗|Z|在不断减小，直到1 Hz时达到了最小值；同时，还观察到了EIS谱图中的相角Ɵ达到了正值，这表明在施加此电压前，电路中就已经产生了电流：此种现象类似于常常在高频范围产生的感应电流（电感）。基于电感在低频条件下不易产生的事实，作者提出：在p-n结形成之后，LECs器件中会促使电子移动的离子（TOA⁺, K⁺, Br^‐ and I^‐）迁移可以形成一个微小的磁场，类似于电感现象；该磁场会在低频条件下产生与交流电流（AC）相反的感应电流。同时作者还表明，可以通过此现象来分析LEC器件中过电位或者副{attr}3209{/attr}等不利因素的存在。该研究有助于深化理解LEC器件工作机理，也对组装LECs、提高其发光效率提供了新的思路。

论文信息：

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为博士生Jonathan Ralph Adsetts和本科生Zackry Whitworth。接下来的三位研究者均为课题组的博士生。

ChemElectroChem

DOI: 10.1002/celc.202101512