CsPbBr3/CdS钙钛矿核壳结构量子点的制备及其光电器件应用研究

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量子点是材料二十一世纪最热门的研究内容之一,而钙钛矿量子点作为量子点领域的佼佼者,是近年来的研究热门。钙钛矿量子点具有优异的光学性能,如窄带发光、单色性好、荧光量子产率高等特点,在各个领域都有巨大的应用潜力。然而由于卤化物钙钛矿量子点对极性溶剂和高温的敏感,限制了它们的进一步应用。此外,单个卤化物钙钛矿量子点存在荧光闪烁性,更是阻碍了它们在量子点发光二极管、纳米激光、固态照明等领域的应用。为了克服以上缺点,我们引入了钙钛矿核壳结构的方式以提高钙钛矿材料的稳定性和解决其荧光闪烁性。核壳结构量子点的合成在传统II-VI族纳米晶中已经十分成熟,对于半导体与半导体之间的包覆,当壳层材料的带隙大于核材料的带隙,可以有效地提高核量子点在苛刻环境中的稳定性,同时阻止载流子逃逸出量子点表面,抑制非辐射俄歇复合。为了研究核壳结构对钙钛矿的性能提升,分别探索了基于核壳钙钛矿结构的激光性能及电致发光二极管性能。本文详细介绍了铯铅溴钙钛矿量子点(CsPbBr3)和硫化镉包覆铯铅溴钙钛矿量子点(CsPbBr3/CdS)的制备过程,总结了制备需要的化学试剂以及设备仪器,并分别对两种量子点进行表征。为了验证包覆后的CsPbBr3/CdS量子点比纯CsPbBr3量子点拥有更高的稳定性,对包覆前后的量子点设计了三组对比实验,分别为温度稳定性测试、湿度稳定性测试与耐水性测试。实验结果表明,在三组对比测试中,包覆后的CsPbBr3/CdS量子点均展示了比纯CsPbBr3量子点更加优异的稳定性。接下来,对CsPbBr3量子点及CsPbBr3/CdS量子点的光学性能进行探索,对CdS纳米晶包覆对闪烁性抑制的原理进行分析,并利用荧光显微镜分别对两种量子点的荧光轨迹进行捕捉。实验结果表明发现包覆过后的CsPbBr3/CdS量子点呈现非闪烁性的特点,与理论结果一致。为进一步CsPbBr3/CdS量子点在纳米激光领域的应用可能,分别对CsPbBr3量子点及CsPbBr3/CdS量子点进行自发放大发射测试,发现CsPbBr3/CdS量子点的相对效率提高了131%。在应用方面,将CsPbBr3/CdS量子点与微管谐振器组合,用单光子飞秒激光器作为泵浦源,成功检测到回音壁模式激光,并且该激光呈现低阈值、高品质因数的特点。另一方面,制备了基于钙钛矿量子点的电致发光二极管,并进行了相关参数表征。器件选用氧化铟锡透明电极/镁掺杂氧化锌/量子点/4,4-二(9-咔唑)联苯/三氧化钼/铝电极(ITO/ZnO/Mg/QDs/CBP/MoO3/Al)的三明治结构作为量子点发光二极管结构,其中氧化铟锡透明电极为阴极,铝为阳极,为倒置结构。制备好的基于CsPbBr3量子点与CsPbBr3/CdS量子点的两种量子点发光二极管器件分别用光谱光度色度辐射度计进行性能表征。实验结果表明,CsPbBr3/CdS量子点发光二极管在各项的表征中均表现出更优异的性能。CsPbBr3/CdS量子点发光二极管的开启电压更低,最大亮度比纯CsPbBr3量子点发光二极管提高了5.4倍。CsPbBr3/CdS量子点发光二极管的最大电流效率是纯CsPbBr3量子点发光二极管的2.1倍,最大外量子效率是纯CsPbBr3量子点发光二极管的5.7倍。最后,本文指出了上述材料和基于上述材料的激光性能、量子点发光二极管所具有的优势,并针对核壳结构钙钛矿量子点的进一步优化、后续发展的可能性进行展望。
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