无机钙钛矿CsPbBr3量子点的稳定性及其发光应用研究

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无机钙钛矿(Cs Pb X3,X=Cl、Br、I)量子点(Quantum Dots,QDs)材料是一类光电性能优良的半导体材料,具有荧光量子产率高、光谱半高宽窄、荧光波长可调等优点,在光电领域有着广阔的应用前景。其中,CsPbBr3量子点材料具有较高的荧光量子产率且合成方法多样,可以进行批量生产,是一种应用前景非常光明的光电材料。但是,CsPbBr3量子点在内部(如离子迁移)和外部(如光、水、氧、热等)等因素下容易诱发其不稳定性,严重影响其荧光性能,从而极大地阻碍了其进一步发展。围绕CsPbBr3量子点稳定性这一问题,本文提出了配体改性和掺杂工艺来提高量子点的稳定性,研究了量子点在空气、热和极性溶剂等环境下的稳定性,开展了放大自发辐射(Amplified Spontaneous Emission,ASE)及回音壁式激光(Whispering-gallery Mode,WGM)及白光发光二极管(White Light Emitting Diode,WLEDs)等方面的研究。结果表明,经配体改性和掺杂后的CsPbBr3量子点,其稳定性和发光性能均得到了大幅提高。本论文的主要研究内容如下:(1)采用理论和实验相结合的方式,开展了CsPbBr3量子点配体改性后的稳定性研究。表面配体改性工艺是提高量子点的一种有效策略,基于此,我们提出了利用含有两个支链的2-己基癸酸配体来改性CsPbBr3QDs。在理论方面,我们通过态密度计算(Density Functional Theory,DFT)阐明了配体改性后的CsPbBr3QDs稳定性增强机理。在实验方面,我们先后合成了CsPbBr3QDs和2-己基癸酸配体改性后的CsPbBr3QDs。对两种量子点先后开展了在大气环境中稳定性、乙醇和水环境的稳定性研究,结果表明:在保存70天之后,未改性的CsPbBr3 QDs溶液出现了明显的团聚现象,在瓶底有沉淀出现,而配体改性后的CsPbBr3QDs溶液依然能保持透明均一状态;量子点薄膜在空气暴露28天后,未改性的CsPbBr3 QDs薄膜的PL强度仅只有初始强度的21.2%,而配体改性后CsPbBr3 QDs薄膜仍能保持94.3%的初始PL强度;在乙醇溶液下,未改性的CsPbBr3 QDs的PL强度随着时间的推移出现显著降低,在保存90 min后,只有初始强度的22.3%左右,而经配体改性后的CsPbBr3 QDs仍然能保持66%的初始PL强度值;CsPbBr3 QDs在水环境中保存7天后,几乎被降解完全,而经过配体改性后的CsPbBr3 QDs仍然能保持均一溶液状态,且在365 nm紫外灯下仍能发出绿光。基于以上结果,我们认为本论文提出的配体改性方法能有效提高CsPbBr3 QDs的稳定性和发光性能。(2)开展和比较了配体改性前后CsPbBr3量子点的放大自发辐射及回音壁激光的研究。利用CsPbBr3量子点的高光增益特性,开展了配体改性前后CsPbBr3 QDs的ASE及WGM激光的研究。研究发现:配体改性后的CsPbBr3QDs可以得到阈值更低、稳定性更高的ASE及WGM激光。在配体改性后的CsPbBr3 QDs薄膜的ASE阈值在单、双光子泵浦作用下都降低了50%以上,且光稳定性更好。在WGM激光表现上,与未改性的CsPbBr3 QDs获得的WGM激光相比,配体改性后的CsPbBr3量子点的WGM激光阈值更低、光稳定性更高。这些结果表明2-己基癸酸配体改性后CsPbBr3QDs光学增益更好、光稳定性更优,为其在激光应用领域拓展新思路。(3)配体改性前后CsPbBr3量子点绿光LEDs及WLEDs两方面的研究利用CsPbBr3量子点绿光转换材料的潜力,开展了绿光LEDs及WLEDs两方面的研究。与未改性的CsPbBr3量子点制备的绿光LEDs相比,基于改性后CsPbBr3量子点制备的LEDs具有更高的色纯度、更高的热稳定性和更强的绿光。此外,基于配体改性后的绿光CsPbBr3量子点制备的WLEDs具有优异的发光性能,其色坐标为(0.44,0.42),显色指数高达93,流明效率64.8 lm/W,色温3018 K。这项工作极大地促进了基于配体改性钙钛矿量子点的LEDs的研究。(4)常温下Sn2+轻掺杂CsPbBr3量子点的稳定性及WLEDs的研究掺杂是改变半导体纳米材料光电性质的重要策略之一。我们以常温法为基本工艺,合成了纯CsPbBr3量子点及掺杂Sn2+离子的CsPbBr3量子点,并研究了二者的基本晶体结构、组成成分及光学稳定性等相关性能。结果表明:通过掺杂比例为20%的Sn2+,CsPbBr3量子点展现出最高的PLQY。实现了显示指数比较高的暖白光发射。该掺杂策略具有三个非常明显的特点:掺杂均匀、工艺简单和适合大量生产。综上所述,本文探索了配体改性和掺杂工艺来制备CsPbBr3 QDs,研究了表面配体和掺杂对其稳定性及光学性能的影响,进而提高了发光器件的性能,为推动CsPbBr3 QDs在发光领域的进一步发展做出了一定的贡献。
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