金属卤化物钙钛矿材料的制备及其发光器件研究

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近年来,金属卤化物钙钛矿材料因其优异的光电性能,如直接可调的带隙,良好的载流子传输特性,高的转换效率等,已经成为了光电领域的明星材料之一。基于钙钛矿材料的发光器件相对于其他发光器件有高的发光色纯度,低廉的成本以及简单的制备工艺等优点,具有巨大的市场应用潜力。然而,相对钙钛矿材料繁杂多样的制备方法,相应的制备参数对材料的特性影响这样基础和系统的研究报道比较少见;另外,钙钛矿发光器件中一般都含有有机组分,导致其发光稳定性差,严重阻碍了器件实用化的道路。针对以上钙钛矿研究中的难点和热点问题,本文基于有机金属卤化物钙钛矿材料和无机金属卤化物钙钛矿材料两方面,深入研究钙钛矿材料的一步法和两步法制备,揭示了工艺参数对钙钛矿材料的表面形貌、结晶质量和光学特性的影响规律并且采用变温PL技术研究材料的光电特性;详细研究了钙钛矿器件中传输层材料的制备和优化;基于器件不同的发光薄膜和发光结构,制备了三种类型的钙钛矿LED,研究其器件发光特性,阐述器件的发光机理,深入分析器件的工作稳定性。具体的研究内容如下:1、分别采用一步法和两步法制备CH3NH3PbBr3。一步法中,改变溶液的旋涂速度、退火时间、退火温度等因素,两步法中的旋涂-浸泡法中,改变溴化铅层的旋涂速度、浸泡温度和时间等因素,旋涂-旋涂法中,改变MABr旋涂速度和退火时间等因素,研究工艺条件对CH3NH3PbBr3表面形貌、光学和结晶特性的影响。2、采用蒸发-浸泡法和蒸发-蒸发法制备CsPbBr3。蒸发-浸泡法中,改变溴化铅蒸发速率和浸泡时间,在蒸发-蒸发法中,改变溴化铅和溴化铯蒸发顺序,退火气氛和温度等,研究了不同工艺条件对CsPbBr3表面形貌、光学和结晶特性的影响。3、在MOCVD技术生长的ZnO纳米棒衬底上,采用蒸发-浸泡方法制备出CH3NH3PbI3-XClX材料。研究了钙钛矿层的表面形貌和室温光学特性,对样品进行变温PL测试,详细分析结果,拟合计算出其对应的激子束缚能为77.6±10.9meV,光学声子的能量为38.8±2.5 meV,温度系数为0.25±0.005 meV/K。4、制备并优化钙钛矿LED传输层Zn O、NiO和Al2O3。采用磁控溅射技术,改变溅射功率、压强和氩氧比来优化三种材料特性。研究表明,溅射薄膜形貌主要受高能粒子轰击和粒子间碰撞影响,电学特性主要受溅射工艺对镍空位或锂并入多少的影响。5、基于器件的发光薄膜和发光结构,制备三种类型的钙钛矿LED。(1)ZnO/CH3NH3PbBr3/PEDOT:PSS型。器件开启电压在3.5 V左右,发光色纯度相对较高。但器件的稳定性较差,发光强度也较弱。(2)ITO/Al2O3/CsPbBr3型。首次提出无机钙钛矿薄膜的MIS钙钛矿LED。器件开启电压为6 V,EL峰位在523 nm,色纯度很高。器件的稳定性较上一种器件有明显改善。未封装情况下,空气中连续10V工作20分钟才开始有较大衰减。(3)ZnO/CsPbBr3/NiO型。首次制备空气中稳定工作的基于薄膜材料的全无机钙钛矿LED。器件开启电压为3 V。未封装情况下,空气中连续7 V工作接近半个小时内,器件的EL光强波动较小,半峰宽维持在21.4-23.5 nm之间,器件的稳定性非常好。
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