基于全无机卤族钙钛矿荧光材料的光电性质及稳定性的研究

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全无机卤化钙钛矿量子点由于其具有可见光范围可调控性、较窄的发射光谱、更宽的吸收光谱以及颇高的荧光量子产率等优势被广泛应用于太阳能电池、背光显示的白光LED器件、激光器、光电探测器等重要的光电器件当中。对于无机卤族钙钛矿材料而言,其离子晶体的特性导致其在极性环境中稳定性较差。为了改善该体系的系列稳定性问题,本论文从两个维度出发:结合对Pb-X化学键的改进手段,系统研究了Te元素掺杂对钙钛矿稳定性的影响;从表面包覆处理钝化钙钛矿高能表面而保护晶体结构角度出发,通过硅烷化对表面包覆处理的手段,实现水氧与钙钛矿表面的隔离,进一步提高钙钛矿量子点稳定性的研究。最后,基于钙钛矿量子点自身光学性能特点以及改善后的优良的环境耐受性制备出白光LED的应用,具体工作如下:1.CsPbBr3/Pb Te复合结构对量子点材料荧光特性及稳定性的研究。用热注入法制备出钙钛矿量子点,将Te元素溶于三正辛基膦中并混合钙钛矿量子点溶液,实现Te元素对钙钛矿量子点的掺杂。制备出的CsPbBr3/Pb Te粒径表现尺寸在20~23 nm之间,Te的掺杂使量子点表面形成Pb Te。其次,通过各种表征手段对材料光学、物理性能、稳定性及其微结构对材料性能的影响等方面进行系统的研究。就结果表明,由于Te元素掺杂,表面的Pb-Br的结合能提高,表面Br空位缺陷等非辐射复合中心减少,因而使得量子点的辐射跃迁效率提高而非辐射跃迁效率降低;与此同时,表面的Pb Te对表面起到保护、钝化的作用,使其在空气环境下贮存60小时后PL强度仍保持40%以上而未掺杂相在相同环境下PL强度仅剩30%。2.SiO2包覆法对CsPbBr3量子点的荧光特性及稳定性的研究。用热注入法制备出钙钛矿量子点,在洗涤后的量子点中加入有机硅基质四甲氧基硅烷,并以氢溴酸作为水解催化剂催化剂。实验证明,氢溴酸的存在不仅能加快有机硅的分解,还能Br元素补充成分,在一定程度上避免CsPbBr3因失去Br离子的平衡化学反应的持续进行而导致的荧光淬灭现象。最终,缩短水解反应时间后所制备出的钙钛矿CsPbBr3@SiO2呈现为多个钙钛矿量子点多聚体被二氧化硅包覆的复合结构体系。与未被包裹的钙钛矿相比,CsPbBr3@SiO2在空气环境中保存96小时候后,粉末状和分散于溶剂形态下的PL强度分布保持50%和70%以上而未被包覆钙钛矿仅能保持20%和30%,体现出较好的环境耐受性;而在热稳定性的方面,其分解温度比纯钙钛矿样品提高了100℃;更重要的是,CsPbBr3@SiO2样品在去离子水中存在持续5个小时,而未经包覆处理的CsPbBr3在去离子水中存在仅为20秒就发生分解淬灭,表现出较好的耐水性,为量子点在后续工业化水基溶剂的流程中打下良好的工艺基础。3.基于Te元素掺杂改善后的钙钛矿量子点与KSF红粉在InGaN芯片制备出白光LED,此白光LED基于RGB三色光合成,解决了传统LED中青色光缺失、蓝光过剩以及长波红光不足等问题,其显示色域比NTSC标准更加宽广,CIE色谱图中合成的白光坐标为(0.31,0.35)。4.在上述工作的基础上,实现了基于全钙钛矿组分的白光LED。用热注入法分别制备出CsPbBr3和Cs Pb I3钙钛矿量子点,并对两种不同荧光特性的钙钛矿进行表面硅烷化处理。基于表面包覆后的两种量子点与InGaN芯片相结合,制备出RGB三色光合成的全白光LED,其白光坐标为(0.31,0.33),色域面积达NTSC标准的150%。
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