基于中间相工程制备金属卤化物发光材料和器件

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金属卤化物材料(Metal halide materials,MHs)在光电领域展现出较快的发展趋势。但是,其高质量薄膜制备和稳定性仍存在很大挑战。本论文提出以中间相工程为核心策略,有效调控金属卤化物的结晶过程、成膜质量与成分空间分布,构筑了高质量的金属卤化物薄膜,进而实现对薄膜稳定性和器件性能的显著提升。主要研究内容如下:首先,针对薄膜内部缺陷,通过预合成二甲基胺铅溴(DMAPb Br3)中间体制备了(MA)x(DMA)Pb Br3+x薄膜。鉴于DMAPb Br3比溴化铅(Pb Br2)具有更高的溶解度(≥2.0 M),同时枝状DMA+较平面甲胺离子(MA+)尺寸更大,调和了容忍因子,因此(MA)x(DMA)Pb Br3+x薄膜较经典的甲胺基金属卤化物(MAPb Br3)薄膜展现出显著提升的光学性能;同时以枝状分子(三甲基硅基)甲胺((Trimethylsilyl)methylamine,Tm MA)协同提升材料稳定性,薄膜展现出更高的覆盖度、更小的粗糙度和更少的缺陷,光致发光量子效率(PLQY)从~9.9%提升至~87.8%,制备的“芯片+材料”型发光二极管(LEDs),其青色光LEDs工作1000 min后光谱无显著偏移,展现出良好的稳定性,白光LEDs显色指数Ra达81.7。其次,针对结晶过程导致的缺陷,利用二甲基胺氢溴酸盐(DMABr)诱导钙钛矿形成富DMA+的低维中间相,延缓结晶,最后得到含少量DMA+的高质量钙钛矿薄膜。基于经典甲胺铯铅溴体系,制备了0.72 cm~2较大面积的绿光LEDs,相较于经传统策略制备的LEDs,其外量子效率(EQE)和最大亮度分别取得了158%和69.8%的增幅,展现出中间相策略的通用性。此外,针对含铅危险废物,初探了生物质吸附剂实现环保化处理的可行性,污染水体中铅的去除效率>99.7%。最后,通过二甲基胺氢碘酸盐(DMAI)诱导形成中间相,调控非铅金属卤化物成膜动力学和物相分布。一维铯铜碘(Cs Cu2I3)和零维铯铜碘(Cs3Cu2I5)彼此间隔共存的合理空间格局,赋以薄膜蓝白双色发光的潜能,其PLQY达36.65%。所制备的Cs Cu2I3@Cs3Cu2I5薄膜,在200℃和60 min空气环境中,PL性能均无明显衰减,展现出极佳的热稳定性和空气稳定性。结合聚[双(4-苯基)(4-丁基苯基)胺](Poly-TPD)和1,3,5-三(1-苯基-1H-苯并咪唑-2-基)苯(TPBi),构建了Poly-TPD/Cs Cu2I3@Cs3Cu2I5/TPBi复合发光层,首次制备了电压调控显色的蓝白双色LEDs:较低电压时(~4.0 V)以蓝色光为主,较高电压时(~5.0 V)呈白色光。器件面积为0.72 cm~2,最高EQE为0.23%,工作60 min后,不同发光区域的EL强度平均降幅<4%,发光均一,且稳定性好。综上,本工作提出了基于DMA+的中间相薄膜管理策略,分别施用于不同金属卤化物体系,在发光效率和稳定性上实现了较大提升。相关研究成果对促进金属卤化物及其LEDs的商业化进程具有参考价值。
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