铅卤钙钛矿量子点复合发光材料构筑及稳定性提升研究

来源 :中国地质大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:shuwenglei
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近年来,铅卤钙钛矿量子点作为一类“明星材料”,受到了人们的广泛关注。由于其具有载流子扩散长度长、消光系数高和缺陷密度低等优点,在发光二极管(LED)、激光、光电探测器等光电领域呈现出十分广阔的应用前景,成为固态照明和显示的新生代材料。但由于其本身结构的不稳定,纳米尺度效应,高表面能等原因,导致该材料对光、热和湿度敏感,稳定性差,在光电应用领域受到限制。通过复合材料设计和降低维度等方式是十分有效的提高其稳定性的方法。矿物材料具有高稳定性、离子交换性、高比表面、环境友好等性能,其可以作为主体材料接受多种客体材料而实现新型功能材料的组装。如前所述,将钙钛矿量子点与矿物材料进行复合构筑,二者复合后实现性能的调控与协同提升,各种各样的新型量子点与矿物复合材料应运而生,其应用领域也不断扩展。此外,二维钙钛矿材料自身稳定性优于钙钛矿量子点,通过选择不同种类的层间有机基团,合成新型低维钙钛矿材料都可以实现高稳定性钙钛矿材料。本论文采用不同的矿物材料,构筑系列复合光学材料体系,协同调控铅卤钙钛矿量子点的发光性能和稳定性,揭示了复合材料对发光性能的影响机制,并探索钙钛矿量子点复合材料在白光LED中的应用。此外,设计合成了新型二维高稳定性钙钛矿材料,研究其发光性质。本论文的创新点:(1)基于天然矿物埃洛石纳米管和二维氮化硼层状纳米片优异的散热性能,设计构筑了系列钙钛矿量子点@矿物复合材料,通过静电作用和化学键合作用,可以将钙钛矿量子点和矿物进行有效复合,揭示了稳定性提升的影响机制,为优化钙钛矿量子点发光材料的发光性能和提升其发光热稳定性提供了新的思路,为天然管状和二维层状矿物的利用开辟了新的途径。(2)基于多孔硅藻土的多级孔道结构,设计了钙钛矿量子点硅藻土复合材料,通过硅藻土的纳米空腔共振提升效应,同时提高发光强度和改善了热稳定性,为钙钛矿量子点发光效率和发光热稳定性带来了新的思路,拓展了多孔矿物材料的应用领域。(3)以有机胺为有机层,铅溴层为无机层,交替合成一种新型n=1的二维钙钛矿材料(C8H12NO2)2Pb Br4,具有高稳定性和易调节的光学性能。主要研究成果总结如下:(1)采用一步法构筑了一维钙钛矿量子点@埃洛石(Cs Pb Br3@HNTs)复合材料。利用埃洛石外表面的正电荷,通过静电相互作用,吸附卤素阴离子,原位形成钙钛矿量子点晶种,合成钙钛矿量子点@埃洛石复合材料。通过改变埃洛石负载量,埃洛石纳米管长径比等条件,对制备工艺进行优化,确定最优的制备工艺路线和实验参数。研究了钙钛矿量子点@埃洛石复合材料的稳定性。由于埃洛石具有中空的纳米管结构,当温度加热到100 oC时,钙钛矿量子点@埃洛石复合材料的发光强度约为室温下强度的80%。优异的热稳定性归因于埃洛石中具有高热导率的氧化铝和较大比表面积。另外,该复合材料在紫外线连续辐射下具有优异的光诱导稳定性和环境储存稳定性。(2)采用紫外接枝聚合法构筑聚丙烯酸接枝多孔硅藻土和钙钛矿量子点(CPX-DE-g-PAA)复合材料。选取具有光增强作用的准光子晶体结构的矿物硅藻土,作为构建聚丙烯酸接枝的硅藻土(DE-g-PAA)媒介反应器,用于原位捕获钙钛矿量子点,通过表征验证了多级孔道的腔体结构可以更有效的进行接枝反应。此外,DE-g-PAA中捕获的-COOH可以作为合成钙钛矿量子点所需的表面配体,取代传统的油酸,将钙钛矿纳米晶体均匀铆钉在腔体中和矿物表面,构造的聚合物刷为钙钛矿量子点提供封装保护层。所制备的CPB-DE-g-PAA复合材料不仅保持较高的光致发光量子产率,而且还表现出优异的热稳定性和耐水性。引入光增强的准光子晶体硅藻土后,CPB-DE-g-PAA的发光热淬灭受到明显抑制,在373 K时仍可保持?73%的室温初始强度。该结果表明硅藻土的引入可以显著增强CPB-DE-g-PAA复合材料的耐热性能;同时,CPB-DE-g-PAA薄膜在水中浸泡120小时后表现出强烈的绿色发射,约为纯钙钛矿量子点薄膜(约9小时)的13倍。最后,利用时域有限差分法(FDTD)模拟计算了不同腔体直径的CPB-DE-g-PAA复合材料的电磁场强度分布,揭示了发光的改善应归因于硅藻土腔体共振效应引起的电磁场增强。(3)二维氮化硼纳米片@钙钛矿量子点(CPX@BN)复合材料构筑。将铅卤钙钛矿量子点和二维纳米材料进行复合构筑。首先将二维(2D)六方氮化硼进行剥离制备纳米片,通过优化实验,确定了最佳剥离时间,取得了较好的剥离效果,得到约50 nm厚的BN纳米片堆叠物。接着采用一步法原位均匀生长钙钛矿纳米晶体,通过氨基功能化后,将钙钛矿量子点铆钉于剥离的氮化硼纳米片上,形成稳定的CPX@BN-E。该复合材料具有高热稳定性,在120oC时的PL强度仍保持在RT时初始强度的80%,这是由于引入了高热导率的氮化硼和其二维纳米片状结构,形成了及时有效的散热渠道。(4)二维杂化钙钛矿材料(C8H12NO2)2Pb Br4合成合成了一种二维新结构材料,通过氢溴酸缓慢结晶法,合成(C8H12NO2)2Pb Br4单晶,以多巴胺为有机层间基团,铅溴八面体层为无机层,X射线单晶衍射解析了这种新结构材料,且具有新颖的窄带蓝光发射和高热稳定性。此外,通过掺杂锰离子,可以实现蓝光和橙红光发射,具有杂化钙钛矿材料的带边发射和锰离子的T1-6A1的能量传递,实现新结构材料的光谱调控。
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