二维钙钛矿材料制备与激子发光机制研究

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近些年来,钙钛矿材料在诸如太阳能电池,光发射二极管,光探测器,激光器等领域取得了重大的研究进展。其中,二维钙钛矿因其稳定性好,发光性能强,本征量子阱结构,强激子发光特性等优点使得其在结构调控,光谱变换上具有重大的科学意义和应用价值。所以,深入的理解二维钙钛矿的激子发光特性是钙钛矿材料走向应用上的基础。本文将选用二维钙钛矿纳米片为实验对象,深入探讨其激子发光特性。主要研究内容包括以下三个部分:(1)针对超高激子结合能二维钙钛矿材料的激子发光行为尚未清楚,使用热注入法制备PEA2PbBr4二维钙钛矿材料,采用Elliott线型分析与Cd掺杂诱导自陷激子宽带发射策略,研究光物理过程激子行为机制。先对材料进行形貌、晶体结构和光学特性表征,发现该二维材料具有强的激子吸收峰和小的斯托克斯位移,使用Elliott公式拟合吸收光谱得到其激子结合能为310meV,并且利用变功率激发测试证实了其载流子复合类型,深入研究了其自由激子发光机制。晶格扭曲模型表明强激子声子耦合是造成Cd掺杂自陷激子的主要原因,通过线型分析,证实了自由激子和自陷激子在吸收和复合过程中的协同作用。(2)合成制备单层PEA2PbI4二维钙钛矿材料,研究其带尾态发光起源。首先对PEA2PbI4二维钙钛矿进行了基本的形貌和光学性能表征,发现钙钛矿系半导体展现了与Ⅲ-Ⅴ族半导体相似的激子结合能-带隙依赖特征,表明钙钛矿半导体有着与Ⅲ-Ⅴ族半导体相似的结构性质。高斯单峰拟合发现其在长波方向上展现了强的带尾态发光峰,拟合不同波长的激子寿命,发现其符合激子局域态物理模型,揭示了其带尾态发光起源。此外,利用卤素混合,在单层二维钙钛矿中调节了发光波长。(3)优选便于制备高质量薄膜的有机配体辛胺合成二维钙钛矿OTAM2PbI4,研究其光辐照稳定性和薄膜光学性质。首先对其进行了基本的形貌与光学性能表征,探索了制备条件最优的工艺条件,并通过紫外灯照射研究其光辐照稳定性。通过旋涂制备高质量的二维钙钛矿薄膜,发现退火会引起层间配体重组,导致层间激子耦合加大,激子平均寿命下降,但单层二维钙钛矿的激子结合能远大于层间耦合能,激子解离仍然以共振能量传递的方式进行。
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