离子掺杂无铅钙钛矿纳米晶的光学性质及应用研究

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近年来,金属卤化铅钙钛矿(APb X3)由于其优异的光电特性,例如高的吸收系数、载流子迁移率、缺陷容忍性和光致发光效率(PLQY)而备受关注,在太阳能电池、发光二极管(light-emitting diodes,LEDs)和光电探测器等光电领域表现出巨大的潜力。然而,化合物的不稳定性和Pb的毒性仍然是阻碍APb X3应用于商业化的两个关键性的问题。因此,寻找用无毒元素取代Pb元素并同时具有相似光物理特性的无毒候选材料是非常有意义的。无铅卤化物双钙钛矿纳米晶体A2B+B3+X6与有序空位纳米晶A3?B23+X9在解决钙钛矿Pb的毒性和化合物不稳定性问题方面引起了广泛关注,成为Pb基卤化物钙钛矿的有前途的替代品。然而,由于大多数双钙钛矿纳米晶表现出间接和宽带隙,或具有宇称禁戒光学跃迁的直接带隙,导致差的光学性能,而无铅有序空位纳米晶的特征带隙,只在蓝色光谱区域发光。离子掺杂可以引入发光中心,实现多色发光,有效改善光学性能。鉴于此,本论文主要围绕离子掺杂,改善无铅钙钛矿纳米晶的光学特性进行研究。具体研究内容如下:(a)无铅卤化物钙钛矿纳米晶体在解决钙钛矿铅的毒性和不稳定性问题方面引起了广泛关注。在这里,我们通过改良的热注入法合成了Al3+-Cs2AgBiCl6 NCs,通过控制Al3+离子的掺杂含量,制备的Al3+-Cs2AgBiCl6呈现出明亮的自陷激子(STEs)红色发射。PLQY从0.98%显着提高到17.2%,高于目前报道的发红光无铅双钙钛矿的创纪录值(16%)。正如密度泛函理论(DFT)计算所支持的那样,纳米晶的PL性能的本质增强是通过掺杂Al3+离子辅助间接到直接带隙转变来实现的。此外,Al3+-Cs2AgBiCl6 NCs表现出超高的空气稳定性,可以保持其原始结构超过7个月,PLQY在环境条件下储存8个月仅降低17%,与已报道的双钙钛矿纳米晶体相比,稳定性最好。最后,制作了白光发光二极管(WLED)。这些结果为未来无铅双钙钛矿在光电领域的应用提供了机会。最后,通过将制备的Al3+-Cs2AgBiCl6 NCs和蓝色发射钙钛矿K3Sb Cl6 NCs结合在商用365 nm紫外光芯片上来制备白光发光二极管(WLED)。制备的WLED的国际照明委员会1931(CIE)为(0.32,0.30),相关色温(CCT)为6861 K,显色指数(CRI)为81。这些结果为未来无铅双钙钛矿纳米晶在LED等光电领域的应用提供了机会。(b)尽管通过离子掺杂改善了无铅钙钛矿纳米晶体在红光区域的PL性能,但无铅钙钛矿纳米材料在绿色区域的PLQY并不理想。此外,由于卤素离子易于交换,钙钛矿纳米晶体中可控的多色发射在目前的报道中不易实现。因此引入发光中心离子是无铅钙钛矿纳米晶体实现多发射的有效措施。我们通过采用改良的热注入方法,合成了蓝光发射的Cs3Sb2Cl9 NCs。通过将镧系离子引入Cs3Sb2Cl9 NCs,引入发光中心离子,使钙钛矿NCs宿主向Tb3+或Eu3+掺杂离子的本征能级有效转移能量,Cs3Sb2Cl9:Eu3+/Tb3+NCs实现了多色发射。通过调节Eu3+/Tb3+的掺杂浓度比例,实现了PLQY为32.5%的单一组分白光发射。制备了可调CCT从暖(3158 K)到冷(5727 K)白光,CRI高达91,流明效率达到25.5 lm W-1的无铅钙钛矿Cs3Sb2Cl9:Eu3+/Tb3+NCs基WLED,表明Cs3Sb2Cl9 NCs材料对未来固态照明具有潜在的应用价值。
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