二维钙钛矿(OA)2(MA)n-1PbnI3n+1的制备、结构与性质研究

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近几年,二维(2D)钙钛矿凭借带隙可调节、吸收系数高、激子束缚能大、稳定性好等特点,备受研究人员的青睐,在太阳能电池、发光二极管、光电探测器、激光器等领域展现出巨大的应用潜力。但是,由于其本征结构的特殊性,高层和宏观尺度2D钙钛矿的纯相制备极其困难,制备出的2D钙钛矿材料普遍是多相共存的,使得传统宏观测量方法在鉴别、表征其中各相的结构与性质方面束手无策,不仅限制了其规模应用,也极大阻碍了人们对于其构效关系的深入理解。比如,之前的报道中明确表征出本征结构的Ruddlesden-Popper(RP)型2D钙钛矿层数大多不超过5层,更高层数的2D钙钛矿仍有很大的探索空间。另外,使用后处理的方法调控或优化晶体结构的策略已普遍应用于3D钙钛矿的制备中,但在2D钙钛矿中尚未得到足够的关注和充分的利用。目前2D钙钛矿的光学性质研究基本局限于其本征结构特点的层面,借助形貌和结构调节2D钙钛矿光学性质的方案仍面临着严峻的挑战,却饱含机遇。因此,本文借助具有高空间分辨率的显微荧光光谱技术,在微米尺度上研究一种纯相RP型2D钙钛矿(OA)2(MA)n-1PbnI3n+1(OA=CH3(CH27NH3,MA=CH3NH3)的本征晶体结构、微观几何结构、发光性质以及构效关系。确定高层相的带隙结构,定量表征2D钙钛矿中的激子特性,深入理解内部作用过程并发展后处理方法诱导2D钙钛矿的结构重排以及优化其晶体结构,考察依赖于微观形貌的偏振光学性质。研究内容主要分为三大部分,具体如下:(1)(OA)2(MA)n-1PbnI3n+1纯相本征结构的表征及其对发光行为的影响。我们首先利用显微光谱在微区中分辨出具有不同层数的2D钙钛矿纯相,首次表征出1-10层(OA)2(MA)n-1PbnI3n+1的特征发光光谱,结合理论计算,发现(OA)2(MA)n-1PbnI3n+1的带隙能级与层数之间遵从指数关系,而非单纯的量子限域效应关系。结果表明2D钙钛矿的带隙不仅由量子限域效应决定,其它因素包括介电效应、晶体结构等也起着重要作用。(2)(OA)2(MA)n-1PbnI3n+1晶体结构的调控。退火和溶剂处理是晶体结构优化常用的后处理方法,在三维钙钛矿的结构优化方案中被广泛采用。本论文中,我们尝试向(OA)2(MA)n-1PbnI3n+1薄膜通入乙醇蒸汽,通过发光光谱及XRD表征,发现乙醇分子插入到(OA)2(MA)Pb2I7晶格中,通过氢键与MA离子作用,促进离子迁移,改变MA/OA比例,诱导2D钙钛矿晶体结构重排。另一方面,乙醇分子也可以吸附到晶体表面,钝化表面缺陷,诱导发光增强。(3)(OA)2PbI4微观几何结构对发光性质的影响。偏振发光材料在各领域中具有特殊的应用,本论文中我们通过制备一种具有“褶皱”形貌的(OA)2Pb I4薄膜,实现了在褶皱处钙钛矿的偏振发光,偏振度高达~0.65。结合发光光谱、发光强度、XRD以及温度依赖性,我们从光传导、自吸收、面外激子、缺陷态、激子热力学行为等多个方面深入探讨了具有“褶皱”形貌的(OA)2Pb I4的偏振发光的本质,提出其几何结构对传导光偏振方向选择性是其偏振发光的主要原因。当材料发光在钙钛矿薄膜中传导时,界面全内反射发挥主导作用,该过程中偏振方向平行于薄膜表面的成分反射效率更高,因此在薄膜内传播距离较长的光偏振度更高,这部分光遇到褶皱时更容易满足出射条件而从褶皱处逃逸薄膜,因此造成褶皱发光具有线偏振的特性。这一发现表明2D钙钛矿的微观几何结构能够对其发光行为产生重大影响,形貌调节将对开发2D钙钛矿新的发光性质和应用具有重要意义。
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