一维钙钛矿光学各向异性的研究

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光学各向异性是制造偏振器、波片和相位匹配等元件的基础,研究其对偏振敏感的光探测和光发射器件也有着重要的意义。近年来,有机无机杂化钙钛矿因其简单的合成过程和优异的光学性能而引起人们广大的关注。其中三维和二维钙钛矿被广泛研究,而一维钙钛矿却鲜有报道。一维钙钛矿同时具有优异的光学性能和大的各向异性,为了设计和优化基于一维钙钛矿的偏振光电器件,本文主要研究了一维钙钛矿的光学各向异性,主要内容如下:首先,本文利用水相法成功合成一维钙钛矿晶体C4N2H14Pb I4并对其进行了结构和光谱表征。结构表征表明该晶体具有良好的结晶性和可靠的合成重复性。光谱表征表明该一维钙钛矿同时存在自由激子和自陷态激子,在室温下其宽带的自陷态激子发光占主导。并介绍该宽带发光主要是由贾恩-特勒型自陷态激子引起的。同时,变温荧光光谱发现一维钙钛矿自陷态激子发光随着温度的降低峰位发生红移,这主要是热膨胀效应和电子-声子的相互作用导致的。随后,本文对一维钙钛矿晶体C4N2H14Pb I4的光学各向异性进行了系统研究。偏振依赖光谱测量发现其荧光发射、激发和反射都表现出光学各向异性,其荧光发射、激发和反射的线性二色比最大分别为5.5、7和1.3。进一步研究发现光学各向异性主要是由一维钙钛矿跃迁偶极距的各向异性和量子限制效应引起的。同时,发现该晶体在低温下表现出圆偏振依赖发光,圆二色性值为4.7%,这主要归因于晶格扭曲破坏反转对称性。为了进一步提高光学各向异性,本文通过降低晶体的对称性,合成了一维双链钙钛矿C5H16N2Pb2I6晶体。光谱表征表明其荧光发射的线性二色比提高到了17.4,反射的线性二色比增大到了1.6,证明通过降低对称性来提高各向异性是可行的。通过降低晶体结构的对称性,八面体结构更容易发生扭曲,增大了跃迁偶极矩的各向异性,从而增大了光学各向异性。本文进一步通过Kramers-Kronig关系获得了钙钛矿的复介电常数并计算了钙钛矿的双折射和二色性,其中二色性和双折射分别达到了1.5和1.3,高于目前液晶中最大的双折射。综上,本论文研究了一维钙钛矿的合成、发光机理和光学各向异性,并通过降低晶体的对称性提高了各向异性。这项研究对基于一维钙钛矿的偏振光电器件具有重要意义。
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