钙钛矿量子点与稀土离子掺杂玻璃光学特性及应用研究

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钙钛矿量子点,具有吸收截面大、荧光量子产率(PLQY)高、寿命短、发射峰窄、带隙可调等优点,在照明、显示、太阳能、激光、防伪等领域具有重要应用前景。由于钙钛矿量子点表面活性高,易与空气中的湿气、氧等发生反应而引起性能劣化,实际应用受到限制。为解决该问题,我们将钙钛矿量子点镶嵌在物化性能稳定的无机氧化物玻璃基体中,使其与外界空气隔离,以维持其优异的光学性能,并避免受环境影响。另一方面,稀土离子具有能级结构丰富、发光波长覆盖范围广、荧光寿命长和发射峰窄等优点,在钙钛矿量子点玻璃中共掺稀土离子,能够提升该复合材料光学性能,扩展其应用领域。因此,本论文采用熔体急冷原位析晶工艺制备了稀土离子(Eu3+、Tm3+、Yb3+等)掺杂含CsPbBr3钙钛矿量子点玻璃纳米复合材料,通过将理论计算与实验相结合,系统研究了该复合材料的显微结构与发光性能,探索了其在荧光温度传感、荧光防伪等方面的潜在应用。具体的研究结果如下:1.探索了熔体急冷原位析晶法制备CsPbBr3钙钛矿量子点玻璃纳米复合材料的组分配方与工艺参数,通过调控前驱玻璃组分、熔融温度和热处理制度,在碲酸盐以及锗酸盐玻璃基质中成功地析出了钙钛矿量子点。通过X射线粉末衍射、吸收、激发及发射光谱,研究了玻璃基体中CsPbBr3钙钛矿量子点的显微结构和光学性能;并利用带隙与温度关系的准简谐近似理论,分析了量子点荧光发射与温度依赖特性的微观机理,结果表明发射峰能量与温度呈非线性关系是晶格热膨胀和电子-声子相互作用之间的竞争行为所致。2.制备了Eu3+掺杂CsPbBr3钙钛矿量子点玻璃,系统研究了其荧光性能,并基于荧光强度比(FIR)测温技术,分析了该材料的荧光温度传感特性。结果发现该材料在93-383 K温度范围内表现出优异的温度传感性能,绝对与相对温度灵敏度的最大值分别达到0.0224 K-1和2.25%K-1。该研究成果有望为探索新型量子点与稀土离子自校正荧光测温材料提供理论和实验参考。3.制备了新型的含Tm:NaYbF4上转换纳米晶和CsPbBr3量子点双晶相玻璃,探索了玻璃基质组分与稀土氟化物掺杂浓度对双纳米晶相析出的影响,研究了该双晶相玻璃的上转换发光动力学过程及上转换发光性能。结果表明NaYbF4纳米晶和CsPbBr3量子点的晶化与玻璃组分密切相关,且Yb F3含量增加能促进CsPbBr3量子点生长且提高了其荧光量子效率。在980 nm近红外激光激发下,该双晶相玻璃实现了Tm:NaYbF4上转换纳米晶的光子上转换,同时产生了钙钛矿量子点523 nm激子复合发射,其机制被证明是从Tm3+:~1G4激发态到CsPbBr3量子点的辐射能量转移再吸收。4.采用FIR技术,研究了Tm:NaYbF4/CsPbBr3双晶相玻璃的荧光温度传感特性,分析了980 nm激发下测试温度对双晶相玻璃中钙钛矿量子点和Tm3+离子上转换发光性能的影响。结果表明,CsPbBr3量子点的激子复合荧光强度随温度升高显著降低,而Tm3+477 nm发射强度几乎保持不变,且Tm3+650 nm与707 nm发射强度随温度的升高表现出相反的变化趋势。通过拟合IPQDs/I477 nm(FIR1)和I707 nm/I650 nm(FIR2)的荧光强度比曲线,发现在低温区(100~300 K)FIR1具有较高的灵敏度,FIR2在高温区(300~700 K)表现出较高的灵敏度。设计了实时温度测量系统实现了温度标定,为含钙钛矿量子点和氟化物上转换纳米晶的双晶相玻璃在温度传感器件的应用提供理论和实验依据。5.研究了Tm:NaYbF4/CsPbBr3双晶相玻璃的荧光防伪特性。通过测量980 nm单激发与980 nm和365 nm双激发下双晶相玻璃的上/下转换荧光光谱,分析了激发光源波长及激发源功率对双晶相玻璃上/下转换发光性能的影响。结果表明,调整激发光源波长与激发功率可以实现双晶相玻璃上/下转换荧光组合颜色与双模态发射调控。采用丝网印刷技术制备了系列荧光防伪图案,实现了其独特的防伪应用。
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