全无机钙钛矿纳米晶的合成、发光性能及稳定性研究

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钙钛矿纳米晶拥有非常出色的光电性能,如量子效率高、发光半峰宽窄、在可见光区域内发射峰可调以及高吸收系数等,这些优点使其在照明、显示、太阳能电池、光电探测器等方面都具有巨大的应用潜力。然而,钙钛矿纳米晶在毒性、稳定性、简易批量制备等方面的问题严重阻碍了该材料的实际应用。因此,利用室温法合成稳定、高效、发光可调的钙钛矿纳米晶十分必要,也具有重要的研究意义。相比高温热注射合成法,室温法无热源和惰性气体环境等严苛条件的限制,具有易于批量制备、大面积原位合成及加工的优点。室温法的缺点在于合成的纳米晶的稳定性和量子效率仍有待提升(主要由于室温法制备过程中使用的大量极性试剂导致纳米晶性能大幅下降),此外,目前仍无法采用室温法合成稳定的CsPbI3纳米晶。本论文针对这些问题,从钙钛矿纳米晶的合成方法以及光学性能的影响因素出发,通过构建水-油界面减少纳米晶溶液中的极性试剂,开发了一种高效、稳定的CsPbX3(X=I、Br、Cl)钙钛矿纳米晶的室温合成方法。另外,本文还通过形貌调控的方法制备了蓝光发射的高效CsPb2Br5纳米晶,拓宽了CsPb2Br5钙钛矿纳米晶的应用。主要研究内容和结果如下:(1)在室温下通过引入卤化氢水溶液(HX,X=C1、Br、I)处理CsPbBr3纳米晶原液,合成了高效、稳定的CsPbX3钙钛矿纳米晶。首先将CsPbBr3纳米晶分散在甲苯等有机溶剂中制备CsPbBr3纳米晶原液,之后引入卤化氢水溶液处理CsPbBr3纳米晶原液。因为存在极性差异,卤化氢水溶液将和CsPbBr3纳米晶原液形成水-油界面,纳米晶原液中的极性试剂溶解至卤化氢水溶液中,通过控制反应时间可以有效地减少原纳米晶溶液中的极性试剂含量。(2)通过运用不同的卤化氢水溶液处理CsPbBr3纳米晶原液不仅可以有效地减少原液中极性试剂的含量,还可以通过离子交换反应制备高性能的CsPbClxBr3-x和CsPbBrxI3-x纳米晶。文献表明,传统的离子交换存在以下缺点:(a)苯甲酰卤化物等有毒试剂的使用;(b)烷基胺卤化物等试剂作为离子交换的卤源时导致的CsPbX3向CsPb2X5或者Cs4PbX6的相变;(c)超声、辐射等离子交换的辅助手段对纳米晶的破坏;(d)去除多余卤源试剂与副产品的纯化过程对纳米晶性能的降低。在本文中,通过运用不同的卤化氢水溶液作为离子交换的卤源试剂克服了传统离子交换法的上述缺点,制备了高性能的CsPbClxBr3-x和CsPbBrxI3-x 纳米晶(410-690nm)。(3)通过形貌调控成功地制备了蓝光发射的高效CsPb2Br5钙钛矿纳米晶。CsPb2Br5纳米晶的形状可以系统化地控制为块状纳米板、纳米立方和面对面堆叠的纳米片。由于量子限域效应,CsPb2Br5纳米晶展现出发射峰位于465 nm的蓝光发射和接近100%的量子效率。同时通过一系列表征方法,研究了影响CsPb2Br5纳米晶形貌和光学性能的因素,为钙钛矿纳米晶的形貌与光学性能的研究提供了理论依据。
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