金属卤化物钙钛矿发光材料的表面钝化和稳定性研究

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金属卤化物钙钛矿(MHPs)具有发光效率高、发光波长可调、颜色纯度高等优点,在光电器件领域,尤其是在发光二极管(LED)方面展现了广阔的应用前景。然而MHPs由于自身晶体结构的不稳定性,在极性溶剂、光、热以及氧气环境下时,会发生不同程度上的降解,损害了发光性能,这严重阻碍了MHPs的实际应用,因此亟需开发具备高稳定性、高发光效率的MHPs发光材料。过去几年来,人们在MHPs的稳定性提升方面进行了不懈努力,并取得了长足的进步,但仍然无法满足实际应用的需求。本文将聚焦MHPs纳米材料的表面配体和钝化层,通过配体优化和钝化层构建,改善MHPs纳米晶的稳定性,并研究配体对钙钛矿稳定性和发光性能的影响,具体研究内容如下:(1)通过前驱体调控实现PbBr2吸附层对CsPbBr3纳米晶的表面钝化:MHPs纳米晶暴露在极性溶剂时,会引发纳米晶的融合生长,这损害了MHPs纳米晶的发光性能。针对这一问题,我们采用双十二烷基二甲基溴化铵分子(DDAB)作为溴源和配体,调节前驱体比例,使得CsPbBr3纳米晶表面自发形成Pb Br2吸附层。利用X射线光电子能谱(XPS)和~1H核磁共振(NMR)对CsPbBr3纳米晶的表面和配体组成进行了分析测定,发现Pb Br2吸附层的形成依赖于富铅富溴的环境,并且Pb Br2吸附层上覆盖了致密的DDA+配体层。在含有乙醇的极性溶剂中,Pb Br2吸附层和致密DDA+配体层的协同保护有效阻碍乙醇分子对CsPbBr3纳米晶内部侵蚀,而且CsPbBr3纳米晶的发光强度在分散6小时后依然保持初始强度的95%,体现了这种结构对乙醇具有良好的耐受性。本工作为制备对极性溶剂稳定的MHPs纳米晶提供了新的路径。(2)溴离子空位与紫外光照协同诱导CsPbBr3纳米晶表面的自钝化:在紫外光照下,卤素离子的迁移通常会造成全无机MHPs纳米晶聚集融合,导致发光猝灭,因而如何抑制纳米晶的卤素离子迁移是克服MHP纳米晶光不稳定性的关键。我们通过油酸铅(Pb-OA)后处理对CsPbBr3纳米晶的表面组分进行调节,研究了不同表面组分对纳米晶光稳定性的影响。实验结果表明,表面富溴的CsPbBr3纳米晶在紫外光照下倾向于颗粒之间的融合生长,并伴随发光强度快速下降。与此相反,表面贫溴的CsPbBr3纳米晶暴露在紫外光下时,则发生了明显的光活化,并最终形成自钝化表面。这种自钝化后的CsPbBr3纳米晶无论是在长时间照射下或是储存在黑暗条件下,其发光强度依然保持稳定。本实验结果证明了采用光诱导离子迁移改善铅卤钙钛矿纳米晶光稳定性的可能性。(3)二维(2D)Ruddlesden–Popper(RP)型锡基钙钛矿自俘获激子发光性能的研究:2D RP型锡基钙钛矿(L2Sn Br4)的发光效率和空气稳定性都优于相应三维(3D)钙钛矿,并且呈现出独特的自俘获激子发光性能,对于自俘获激子发光性能的深入理解是改善其发光性能的前提和基础。我们采用油胺、辛胺、己胺和丁胺四种有机胺作为有机配体层,通过热注入法制备出多组层间距的L2Sn Br4钙钛矿。研究发现,有机配体层由油胺、辛胺和己胺组成时,L2Sn Br4钙钛矿的发光性能相同。只有当碳链较短时,丁胺构成的锡基钙钛矿(BA2Sn Br4)的发光峰位出现明显蓝移,且发光寿命更短。温度依赖的发射光谱分析表明,短链胺相对长链胺构成的锡基钙钛矿拥有更强的激子-声子耦合强度及更低的纵向光学声子能量,这影响了自俘获激子的势能曲线,正是这种差异导致了不同的发光性能,从而实现了对发光性能的调控。
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