有机–无机双卤混合钙钛矿单晶的生长和性能表征

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近年来,ABX3结构的钙钛矿单晶材料凭借其独特的光电特性,如激子的束缚能和结合能小、介电常数高、电荷载流子扩散速度快、载流子寿命长、复合概率低、吸收光谱的范围宽、吸收系数高等一系列优点,成为光电器件应用领域的重点研究对象,如太阳能电池、X射线探测器和发光二极管等。和全无机钙钛矿相比,有机–无机钙钛矿单晶材料具有吸收光谱范围更宽、禁带宽度Eg更小和稳定性更高等优势,成为了钙钛矿材料中的首要研究目标。同时,在ABX3结构的钙钛矿中,A、B、X位的元素可以呈现出非正常价态或混合价态,可以是有机或无机元素,还可以在不改变其晶格结构的条件下,被一些半径相近的元素所取代,衍生出一些具有特殊性质A、B、X位元素灵活的杂化钙钛矿材料。目前杂化钙钛矿单晶材料的合成方法包括降温结晶法、反溶剂蒸汽辅助结晶法、双源共蒸法和逆温结晶法等。和其他结晶法相比,逆温结晶法有着结晶速度快、结晶质量高、晶体致密性强和性质稳定等优点。因此本文利用逆温结晶法来生长有机–无机混合卤素钙钛矿单晶,在固定A位为CH3NH3+离子、B位为Pb2+离子的情况下,利用化学调控法对X位上的卤素Cl、Br、I进行改变或掺杂,并对生长出来的CH3NH3Pb Br3–xClx和CH3NH3Pb I3–yBry双卤混合钙钛矿单晶的光电性质和物化性质展开研究。本论文具体研究工作如下:通过化学计量法PbX2+[(1–z)CH3NH3Y+z CH3NH3X]合成CH3NH3Pb Br3–xClx和CH3NH3Pb I3–yBry双卤混合单晶的生长前驱液,其中X和Y分别代表Cl、Br、I三种卤素之一,z的取值范围在0到1之间,通过改变z值便可以对前驱液中的卤素含量进行改变。然后在不同环境下生长出多组厘米级尺寸的CH3NH3Pb Br3–xClx和CH3NH3Pb I3–yBry双卤混合单晶。通过观察多组单晶的宏观形貌和颜色及能量色散X射线光谱元素、X射线荧光光谱、X射线衍射、UV-Vis吸收光谱、光致发光光谱和热重分析等一系列表征测试,研究卤素x值和y值的变化的影响,对比分析卤素的种类和含量对于双卤混合单晶光电性质和物化性质的影响,总结出相应的变化规律。
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