钙钛矿量子点在硼硅酸盐玻璃中的可控生长和发光机理

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近几年来,全无机铯铅卤化物CsPbX3量子点(QDs)因其出众的光电特性在光电领域的实际应用取得了前所未有的突破性进展,但是它们的热稳定性和环境稳定性都不太理想,一旦暴露在空气中时将会迅速分解。有研究发现,在非晶玻璃内原位聚合生长CsPbX3(X=Br-,I-)晶体可以显著提高其环境稳定性和热稳定性。不幸的是,从玻璃基质中合成出的CsPbX3(X=Br-,I-)量子点与湿化学法制备的胶体量子点相比,其量子效率(PLQY)大打折扣,仅此一点将限制其在光学领域上的应用范围。因此,如何进一步提高CsPbX3(X=Br-,I-)量子点的量子效率是目前迫切需要解决的问题,从而提高CsPbX3 QDs在照明、背光显示、医药等领域应用上的可能性。本文主要的研究内容如下:1.采用高温熔融-淬火技术以及后续的热处理手段,通过调整玻璃基质中B2O3/Si O2的摩尔比来控制硼硅酸盐玻璃的刚性,从而精细地控制量子点的沉淀和生长,在不添加F-离子和重金属氧化物的情况下产生高的量子效率。当B2O3/Si O2的摩尔比为39/28时,硼硅酸盐玻璃的刚性最优,玻璃稳定的Cs Pb I3的PLQY值最高达到17.1%,这是迄今为止全无机氧化物玻璃中报道的最高PLQY值。重要的是,得益于硼硅酸盐玻璃的有效保护,Cs Pb I3 QDs表现出极其优越的热稳定性和耐水性,将制得的量子点玻璃样品完全用水浸泡,经过两个月以后测试其发射光谱,仍然能够测出超过95%的荧光强度。促使Cs Pb I3 QDs量子效率提高的原因是由于玻璃体系中Si O2含量的增加在一定程度上提高了硼硅酸盐玻璃网络的紧密度和刚度,降低了玻璃网络的结构缺陷和异物耐受性,从而加速了热处理过程中Cs+、Pb2+和I-离子的迁移率。同时,非桥接氧与Cs+、Pb2+和I-离子之间的化学键随着桥接氧数量的减少而断裂,这有利于玻璃体系中量子点的表面缺陷钝化。最后,通过将绿色发光的商用荧光粉(Lu AG)、所制成的红色发光Cs Pb I3 QDs玻璃粉与商用蓝芯片耦合,构建了一系列白色发光二极管(W-LED)器件,产生了明亮的白色发光,经测试最佳发光效率(LE)为95lm/W,色温(CCT)为5755K,高显色指数(CRI)为95,表明Cs Pb I3 QDs玻璃在照明领域具有潜在的应用价值。2.采用传统的高温熔融法,通过掺杂不同浓度的Li+离子,成功地在硼硅酸盐玻璃体系中合成出了Cs Pb Br3钙钛矿量子点。X射线衍射分析(XRD)和透射电子显微镜(TEM)的表征结果都能够佐证在Li+离子掺杂的硼硅酸盐玻璃体系中析出了Cs Pb Br3量子点,并且Cs Pb Br3 QDs的尺寸因Li+离子的引入而增大,使得吸收截止边和发射峰发生红移现象。研究发现,Li+离子的引入会打破硼硅酸盐玻璃紧密的玻璃网络结构,为Cs Pb Br3量子点在玻璃内的成核生长提供充足的空间。重要的是,玻璃稳定的Cs Pb Br3 QDs的PLQY最高值达到近100%。通过热稳定性测试证明了Cs Pb Br3 QDs玻璃具有非常优异的热稳定。最后,利用商用蓝光芯片和红色发光的Cs Pb I3 QDs玻璃粉以及所制备的绿色发光的Cs Pb Br3 QDs玻璃粉组建了一种简易的白色发光二极管(W-LED)器件,实现了明亮的白色发光。经测试得到最佳发光效率(LE)为50.25lm W-1,显色指数(CRI)为72,色温(CCT)为5413K,这为Cs Pb Br3 QDs玻璃在光电领域的应用提供了一种新的策略。
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