离子掺杂钙钛矿量子点的发光特性研究

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CsPbX3钙钛矿在宽色域范围、高颜色纯度、高量子产率等方面的优势突出。因此在照明、多维加密、光电探测等领域引起了很大的回响。但是CsPbX3钙钛矿也存在少许缺点。如含有污染环境、损害人体心血管系统的重金属元素铅;如发射波长在蓝紫光区域的CsPbCl3量子点的产率极低;如发射波长在红光区域的CsPbI3量子点的稳定性较差。CsPbX3钙钛矿量子点是离子晶体,不同组分的钙钛矿量子点之间,因容易发生离子交换反应而不稳定。常见的钙钛矿量子点的制备方法,存在操作流程复杂,设备成本高,在稀有气体环境中制备等问题。为了解决上述问题,我们采用了优化的较低温注入法制备CsPbX3(X=Cl,Br,I)量子点,以提高其产率及稳定性,具体内容如下:(1)本文通过优化的较低温注入法在大气环境下制备CsPbX3量子点,前驱体在120℃下混合并转移至90℃下生长,并通过稳态荧光光谱仪表征多色钙钛矿量子点,荧光发射光谱范围包含404~675nm,半峰宽在13~46nm范围、量子产率可达77%。从透射电子显微镜图看出量子点呈均匀单分散的立方体形状。从X射线衍射分析,确定制备的量子点结构为立方相。通过X射线光电子能谱分析了铯铅卤钙钛矿量子点的元素构成,化合价态以及元素比例。该制备方法为卤化铅钙钛矿CsPbX3的合成提供了新的方案。(2)针对钙钛矿量子点在蓝光区域的量子产率低、在红光区域稳定性差的问题,在上述优化的较低温合成方法基础上,引入二价阳离子Ni2+和一价阳离子K+分别替代Pb2+和Cs+离子。我们通过调节掺杂离子的含量,研究Ni2+和K+离子引入CsPbX3中改善量子产率及稳定性的问题。研究发现,一定量的掺杂有利于抑制缺陷,改善纳米晶的晶格结构,而过量的掺杂则会引起发射中心猝灭。通过离子掺杂提高了铯铅卤纳米晶的绝对量子产率,对于发射峰在蓝紫光区的CsPbCl3量子点,其绝对量子产率从小于1%提升到5%以上。发射峰位分别在绿光区的CsPbBr3和红光区的CsPbI3的绝对量子产率接近80%。此外,Ni2+离子掺杂的量子点的稳定性有了很大改善,尤其对CsPbI3来说,可以保持两个月不变。(3)针对Mn:CsPb(Cl/Br)3钙钛矿中,Mn2+发射峰强较低的问题,我们在大气环境下制备(Mn,Ni):CsPbCl3和(Mn,Ni):CsPb(Cl/Br)3。在Mn:CsPb(Cl/Br)3中引入Ni Cl2,提供足够的卤化物离子的同时,起到钝化钙钛矿量子点缺陷态或陷阱的作用,最终实现Mn2+发射的增强。用密度泛函理论(DFT)对实验结果进行了解释。掺杂可以消除Cs Pb(Cl/Br)3的深能级缺陷。此外,钝化的晶格缺陷有助于提高钙钛矿晶格的稳定性,抵抗电子束辐照。基于此,还制备了(Mn,Ni):CsPbCl3钙钛矿的白色发光二极管,并且对色坐标,显色指数,色温随着驱动电流的变化做了详细的研究。
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