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长春光机所研制出高荧光效率和高稳定性钙钛矿量子点

2017-10-12 17:04     来源:长春光学精密机械与物理 + AA -

  近日,中国科学院长春光学精密机械与物理研究所副研究员曾庆辉课题组,提出一种新的简单易行的操作方法合成了不同卤素掺杂的全可见光谱区高性能CsPbX3(X=Cl, Br, I)钙钛矿量子点,所制备的钙钛矿量子点荧光量子效率最高可达95%(是目前国际上报道的钙钛矿量子点样品的最高值),半峰宽最窄可以达到9nm(是目前国际上报道的量子点样品的最小值),稳定性得到显著提高,该工作对钙钛矿量子点的制备及其在光电器件领域的应用具有重要意义。研究成果发表在ACS Applied Materials & Interfaces上。

  量子点,又称为半导体纳米晶,由于其优异的光学性能(如激发谱线宽、发射谱线窄、荧光效率高、量子尺寸效应等),在生物医学、LED和太阳能电池等光电领域得到广泛的应用研究,荧光效率和稳定性越高、半峰宽越窄(单色性越好),量子点在这些领域的应用前景就会越广阔。近年,卤素掺杂CsPbX3(X=Cl,Br,I)钙钛矿量子点(PQDs)由于其具有较高的荧光量子产率、窄的荧光发射光谱和荧光颜色随卤素掺杂不同可调等优异的光学性能,进一步受到科研工作者的关注。迄今为止,CsPbX3钙钛矿量子点的稳定性依然是亟待解决的科学难题。纠其原因主要是传统的CsPbX3钙钛矿量子点,尤其是混合卤素的CsPbX3钙钛矿量子点的制备多数是在较低温度(40℃)下通过阴离子交换技术来完成,这种阴离子交换过程往往导致荧光效率和稳定性的降低。

  研究人员的工作,旨在提高CsPbX3(X=Cl,Br,I)钙钛矿量子点的荧光效率和稳定性。与之前报道的在40℃下通过阴离子交换技术获得的CsPbX3钙钛矿量子点不同,研究人员通过热注入技术直接在高温条件下(~180℃)合成单一或者混合卤素CsPbX3钙钛矿量子点。通过曾庆辉等研究人员的合成方法,表面配体可以更有效地配位到钙钛矿量子点的表面上,从而有利于改善其光学性能,提高其稳定性。实验过程中,研究人员使用相对绿色安全的油酸(OA)/油胺(OAm)双配体来代替传统的具有较高毒性的OA/OAm/TOP多配体混合物来合成CsPbX3钙钛矿量子点。与先前的需要抽真空和手套箱设备的严格的合成方法相比,他们提供了仅需要氩气惰性气体保护的简便方法;通过对反应温度、配体比例、反应时间和不同卤素原子比例等条件的精确控制以及热注入技术,研究人员制备出了一系列高性能的单一和混合卤素CsPbX3(X=Cl,Br,I)钙钛矿量子点。

  通过曾庆辉等研究人员的方法制备的CsPbX3(X=Cl,Br,I)钙钛矿量子点具有较高的荧光量子产率(40-95%,最高值可以达到95%,是目前报道的溶液CsPbX3钙钛矿量子点样品荧光量子产率的最高值),较窄的半峰宽(9-35nm,最窄的半峰宽值为9nm,是目前报道的溶液量子点样品半峰宽的最小值),以及较高的光稳定性,发射光谱峰位随着卤素掺杂元素的不同在可见光谱区域中连续可调(408-694nm),这将有利于CsPbX3钙钛矿量子点在诸如LED和太阳能电池等光电器件中得到广泛应用。此外,研究人员用1×1×2超晶胞构建了混合卤素CsPbX3钙钛矿量子点的晶体模型,计算了其能带结构,并将带隙与荧光发射光谱中的峰位进行比较,理论上的直接带隙与实验结果吻合良好。该研究工作使CsPbX3(X=Cl,Br,I)钙钛矿量子点在光电器件等方面显示出潜力,具有广阔的发展前景。

  该研究工作得到了吉林省科技发展计划项目、中科院青促会、国家自然科学基金项目的支持。

  

  图1.CsPbCl3、CsPbBr1.5Cl1.5、CsPbBr3、CsPbI1.5Br1.5和CsPbI3钙钛矿量子点的立方晶胞结构示意图(a)、XRD光谱(b)和EDS能谱(c)。CsPbBr3钙钛矿量子点的FESEM照片(d),右上角为其TEM照片结果。

  图2.归一化的CsPbCl3、CsPbBr1Cl2、CsPbBr1.5Cl1.5、CsPbBr2Cl1、CsPbBr3、CsPbI1Br2、 CsPbI1.5Br1.5、CsPbI2Br1和CsPbI3钙钛矿量子点的吸收(a)和荧光发射光谱(b)。

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