论文部分内容阅读
近年来,有机-无机杂化钙钛矿作为一种光电材料受到广泛关注。MAPbI3具有优异的光电转换效率,高量子产率,低制造成本和显著的光吸收性能,并已广泛应用于发光二极管、激光器、太阳能电池和光电探测器等领域。MAPbI3的光电转换特性取决于其吸光能力,带隙越小,太阳光中大于禁带宽度的光子就会越多,可吸收的光子能量范围越宽,光吸收能力越强,光电转化特性会越好。因此,进一步减小该材料的带隙可以有效地提高其光电转化性能。高压能够有效地压缩原子间距、调节电子轨道的重叠程度,是除化学组分和温度以外可以独立影响物质结构与性能的另外一个参量。维度也是调控材料带隙和性能的一个重要参量。将低维和高压技术相结合,研究MAPbI3结构和性能的改变,有助于获得带隙更小的,光电性能更优异的MAPbI3纳米材料。本论文选择有机-无机杂化钙钛矿MAPbI3作为研究对象,对材料合成条件进行优化,探索MAPbI3钙钛矿形貌的转变以及对光电器件性能的影响,并采用高压手段研究MAPbI3的结构相变和性能变化。本论文研究的内容和结果如下:（1）通过改进的溶液沉积方法合成了不同形貌的MAPbI3纳米晶,主要通过调控钙钛矿前驱体的浓度,两种溶液混合时的滴加速度和最后对样品的真空干燥温度等实验条件,合成了形貌均匀的MAPbI3钙钛矿纳米片、纳米立方块和纳米棒,并系统的研究了三种形貌钙钛矿纳米晶的光物理特性。研究表明,三种不同形貌的MAPbI3晶体结构均属于四方相。并通过光学性能分析,得到的纳米棒、纳米立方块和纳米片的光学带隙分别为1.53 e V、1.58 e V和1.56 e V,平均载流子寿命分别为50 ns、71 ns和109 ns。相比较而言,纳米片比纳米立方块和纳米棒表现出更强的发光强度和更长的载流子寿命。它们之间光学性能的差异可能主要与不同形貌MAPbI3纳米材料中存在着不同的结构缺陷有关。这些结果表明,形貌在调节MAPbI3的带隙、寿命和荧光强度中起重要作用。（2）通过简单的配体辅助沉积方法制备了形貌均匀的MAPbI3纳米三角、纳米立方块和纳米棒。对实验过程中油酸和油胺比例进行调控,随着油胺量的增多,样品的形貌可以实现从纳米三角到纳米立方块再到纳米棒的转变。对三种不同形貌MAPbI3纳米晶生长机理和光物理性能进行了详细地分析,并且把优化后的不同形貌纳米晶应用到光电探测器上,研究形貌调控对其光电器件性能的影响。通过光学性能分析,合成的纳米三角形、纳米立方块和纳米棒钙钛矿的光学带隙分别为1.59 e V、1.43e V和1.36 e V,平均载流子寿命分别为1.33μs、7.28μs和7.81μs。我们采用一种无模板和易于控制的简便策略制备光电探测器,通过对基于不同形貌光电探测器的研究发现,与纳米三角形和纳米立方块制备的探测器相比,基于MAPbI3纳米棒的光电探测器表现出最佳的光物理性能和光电特性,在光功率密度为0.14 m W/cm2 405 nm波长激发偏压4V的情况下具有更高的光响应度和检测率（12 m A/W、2.67×1011 Jones）。此外,探测器的开/关比可达到800以上,上升时间和衰减时间分别为18 ms和25 ms。通过比较,基于MAPbI3纳米棒光电探测器的响应度R和检测率D*是纳米立方块光电探测器的3倍和4倍,表明不同形貌和尺寸的钙钛矿纳米晶对光电探测器性能有一定的调控作用。（3）采用金刚石对顶砧装置（DAC）研究了高压下MAPbI3纳米片和纳米立方块的结构相变以及光学性能的变化。通过原位高压紫外-可见吸收光谱,在低压范围内,纳米片和纳米立方块的吸收边随着压力的增加,均发生了红移,继续加压时,纳米片和纳米立方块分别在0.36 GPa和0.25 GPa开始发生蓝移。此外,紫外吸收光谱表明MAPbI3纳米片和纳米立方块的带隙在加压过程中分别减少了0.121 e V和0.077 e V。原位高压荧光光谱表明,MAPbI3纳米片的荧光强度先增强后减弱,而MAPbI3纳米立方块在整个加压过程除了1.10-1.76 GPa范围内荧光峰强度稍微有所增强,其余压力范围都在减弱。通过原位高压拉曼光谱的测量,纳米片的拉曼振动模相比于纳米立方块有稍微的蓝移,说明在高压下,压力使纳米片晶体中的有机阳离子CH3NH3+与Pb八面体[Pb I6]4-之间的相互作用力比纳米立方块的强,使MAPbI3纳米片更不容易被压缩。这些研究结果表明MAPbI3纳米片和纳米立方块光学特性的变化有所区别可能和其晶格结构的变化有关,通过调控形貌可以实现对钙钛矿在高压下的光学性能的调控。