铯基卤化物钙钛矿材料的物性及高压调控研究

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钙钛矿材料以其优异的光电特性,在太阳能电池和发光二极管等光电器件方向得到了广泛地研究,是现阶段科学研究和商业应用领域关注度极高的热点材料。其中,卤化物钙钛矿由于具有吸收系数高、带隙可调以及制备工艺简单等优点成为了探索的焦点。然而,这类材料存在一定的应用弊端,长时间处于光照或湿热环境中容易导致稳定性大幅降低,限制了其实际应用的进程。因此,探索卤化物钙钛矿材料的结构稳定性及其结构对光学性质的影响机制对该体系的研究具有重要的科学意义,能够为解决钙钛矿材料在光热条件下稳定性问题提供理论依据。本论文通过添加剂工程和高压调控的手段来探索卤化物钙钛矿材料的结构稳定性、光学性质及其结构-物性联系。在钙钛矿前驱体中引入添加剂,能够非常有效地钝化缺陷,并抑制晶界的非辐射复合,利用这种方法可以获得平整、无孔并且表面覆盖度高的钙钛矿薄膜;而高压调控手段能够在不引入杂质的情况下改变物质的晶体结构,使钙钛矿材料发生相变和非晶化,进而得到全新结构和性质的钙钛矿材料。本论文选取了三种具有代表性的铯基卤化物钙钛矿材料作为研究对象,首先,利用表面活性剂钝化方法对提高典型卤化物钙钛矿材料Cs Pb Br3的光电性能开展了探索;其次,考虑到Pb的毒性问题,对环境友好且稳定的卤化物双钙钛材料Cs2Ag In Cl6进行了研究;最后,针对目前对低维度钙钛矿材料研究尚不充分的现状,开展了无Pb零维卤化物钙钛矿材料Cs3In Br6的制备及物性研究。本论文的主要研究内容与结果如下:(一)表面活性剂钝化Cs Pb Br3钙钛矿的物性研究Cs Pb Br3作为最典型的铯铅卤化物钙钛矿材料已被广泛地研究,然而,卤化物钙钛矿薄膜在生长过程中形成的缺陷一直是亟需解决的关键问题之一。本论文将非离子表面活性剂聚乙二醇对异辛基苯基醚作为添加剂引入到卤化物钙钛矿Cs Pb Br3前驱体中,用来钝化晶界处的缺陷以改善钙钛矿薄膜的质量,进而提高钙钛矿器件的光电性能。研究结果表明,与未进行钝化处理的钙钛矿薄膜相比,引入添加剂后的钙钛矿薄膜晶粒排列紧密,晶界减少,晶界处的非辐射缺陷得到了高度抑制。以此制备的钙钛矿发光二极管的光电性能和稳定性均得到了提高。经过对掺杂浓度的优化,器件的最大发光亮度达到了63500 cd/m~2,最大电流效率达到了17.4 cd/A,最大外量子效率达到了1.03%,器件的寿命达到了2 h。该研究结果为改善钙钛矿器件光电性能提供了一种有效的途径。(二)高压下Cs2Ag In Cl6双钙钛矿的结构和光学性质研究卤化物双钙钛矿Cs2In Ag X6(X=Cl、Br、I)具有直接带隙和较宽的发射带宽,被看作是卤化铅钙钛矿的理想无铅替代品。因此,了解其结构和光学性质对其应用尤为重要。本论文采用多种高压原位测试技术,系统地对Cs2Ag In Cl6双钙钛矿纳米晶的结构和光学性质展开了研究。通过高压原位紫外-可见吸收的测试方法,对材料在高压下的带隙变化进行了分析。研究发现,在0 GP到5.81GPa的压力范围,纳米晶的光学带隙逐渐红移。压力达到5.81 GPa后,吸收边开始出现蓝移并持续到12.6 GPa。高压原位X射线衍射(X-ray diffraction,XRD)测试结果表明,在0 GPa至16 GPa的压力范围,随着压力的增加,所有的布拉格衍射峰都向大角度的方向有较为明显的移动,但衍射峰没有明显的相对变化,说明加压过程中样品没有发生相变。在压力下,卤化物双钙钛矿纳米晶表现出发光蓝移并伴随着吸收边红移的现象,这可归因于Ag-Cl和In-Cl键在收缩时晶格弛豫能的降低和金属卤化物轨道重叠的增加。该研究结果提供了一种调节卤化物双钙钛矿材料光学性能的有效方式。(三)高压下零维Cs3In Br6钙钛矿的结构和光学性质研究科研人员对二维和三维卤化物钙钛矿已经有了较丰富的认识,但对于零维卤化物钙钛矿尚缺乏系统的理解。此外,现阶段蓝光钙钛矿的发展远落后于绿光和红光,阻碍了三原光在照明和全色显示方面的应用。本论文利用热注入法合成了具有蓝色发光的零维卤化物钙钛矿Cs3In Br6纳米晶,样品显示出本征宽带蓝光发射。通过控制及优化合成工艺,调控Cs3In Br6纳米晶的中空结构,在紫外光激发下,中空的Cs3In Br6纳米晶表现出宽带发射特性,并具有75 nm的大幅度斯托克斯位移。实验中通过高压技术对Cs3In Br6纳米晶的结构稳定性和光学性质进行调控,利用高压原位测试手段对样品进行表征,从一个新的角度了解钙钛矿材料的结构和物性的关系。纳米晶的发光强度在加压过程中急剧减弱,当压力增加到1.84 GPa时发光峰变化趋于平缓。高压原位XRD测试结果表明,在0 GPa至22 GPa的压力范围内,随着压力增加,八面体结构发生收缩,并导致晶胞的连续收缩,这种收缩会引起激子-声子耦合强度降低,进而带来发光强度降低,最终导致发光在压力下的猝灭。该研究结果进一步丰富了对具有蓝色发光的零维卤化物钙钛矿结构及光学性质的理解和认识。
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