CsPbX3钙钛矿量子点的制备及性质研究

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由于CsPbX3钙钛矿量子点(QDs)具有可调的窄的发射光谱,高的光致发光量子产率,高的缺陷容忍因子等优异的特性,其在发光二极管(LED)、太阳能电池、光电探测器、激光器和生物影像方面有着广阔的应用前景,因此备受关注。为进一步提高该类量子点的发光效率和稳定性,本文通过掺杂、相转变以及包覆钝化层等方法制备了具有高发光效率以及高稳定性的CsPbX3 QDs,并用于白光LED器件,其主要研究内容如下:(1)采用改进的热注入法合成了Na离子掺杂的CsPbBr3 QDs。利用各种表征手段证实了Na离子进入CsPbBr3晶格取代Cs离子位置,通过调整Na离子的掺杂浓度将CsPbBr3 QDs的光致发光量子产率(PLQYs)从52.6%提高到94.3%。光致发光(PL)光谱发射峰的蓝移进一步证明Na离子成功进入CsPbBr3晶格。随后用PbCl2和Pb I2溶液后处理的方法对CsPbBr3和Na:CsPbBr3 QDs进行阴离子交换反应,结果表明Na:CsPbBr3量子点经过阴离子交换后仍然能保持较高的PLQYs。这部分工作为提高钙钛矿量子点的发光效率提供了一个新思路。(2)采用三前驱体热注入法在Cs4PbX6 QDs中掺杂Mn离子来调整能带结构。采用289 nm的激发光源对Mn:Cs4PbX6 QDs进行激发后在610 nm处出现了Mn离子的发光峰,并且没有观察到410 nm处CsPbCl3 QDs的荧光峰,说明制备的样品纯度较高。通过改变Pb:Mn探究了Mn离子对Cs4PbX6 QDs发光性能的影响,当Pb:Mn为1:1时,样品的PLQYs为23.1%。通过各种测试手段证明了Mn离子成功引入到Cs4PbCl6 QDs晶格中的Pb位。拉曼光谱测试进一步证明Cs4PbCl6 QDs纯度较高,结晶性良好。荧光寿命测试结果显示,随着Mn离子掺杂量的增加,位于355 nm处的Pb离子荧光寿命变短,而610 nm处的Mn离子荧光寿命变长,从而证实了激子从Pb离子向Mn离子转移的过程。最后,用280 nm商用LED芯片为激发光源,以CsPb(Cl/Br)3、CsPbBr3和Mn:Cs4PbCl6 QDs为颜色转换层,制备了白光LED器件。白光LED的CIE色坐标为(0.3229,0.3037)。(3)利用预合成加后处理的方法,将预先合成的零维(0D)Cs4PbCl6 QDs与MX2(M=Zn,Mn;X=Cl,Br)反应。由卤素阴离子驱动阳离子的交换作用制备了发光效率高、稳定性好的CsPbx(Zn/Mn)1-x(Cl/Br)3 QDs。用Zn Cl2和Zn Br2溶液对Cs4PbCl6 QDs处理后得到的CsPbxZn1-x(Cl/Br)3 QDs的PLQYs分别达到了74.2和88.1%。且在空气条件下储存20天后仍能分别保持初始发光强度的70和65%。此外,用Mn Cl2溶液处理的Cs4PbCl6 QDs由于在晶格内引入了Mn离子从而在610 nm处出现新的荧光峰,经Mn Cl2溶液处理的样品的PLQYs为56%。此外,将CsPbxZn1-x(Cl/Br)3、CsPbBr3和CsPb(Br/I)3QDs分散在聚甲基丙烯酸甲酯溶液中制备了发光薄膜,用商用发光LED芯片作为激发光源制备了白色LED,根据CIE色度图,薄膜的发光位于白光区域,相应色度坐标为(0.29,0.30),并且,白色发光薄膜表现出很高的稳定性。(4)CsPbX3 QDs容易受到极性溶剂的影响产生荧光猝灭,用介孔二氧化硅颗粒(MSNs)作为载体使CsPbX3 QDs原位生长在MSNs的介孔内,有效提高了CsPbX3QDs在极性溶剂中的稳定性。在水和乙醇对CsPbX3@MSNs复合材料处理21天后,样品仍能保持初始发光强度的50%以上。由于CsPbX3 QDs生长在介孔内,减少了表面缺陷,PLQYs明显提高(最高可达86%)。由于CsPbX3 QDs位于介孔内,减少了阴离子交换的途径,并且,透明的二氧化硅不会对CsPbX3 QDs的发光性能产生影响,因此CsPbX3@MSNs复合材料作为固态荧光材料制备白光LED有独特的优势。利用CsPbX3@MSNs复合材料作为固态发光转换层制备了白光LED器件,其色温为6838 K,流明效率为8.9 lm/W,与NTSC 1953规定的色域空间覆盖率为135%,与ITU-R B.T.2020(Rec.2020)规定的色域空间覆盖率为95%。
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