全无机钙钛矿材料CsPbI3纳米晶的高压光物理特性研究

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近年来,全无机钙钛矿之所以能够迅速发展为光伏、光电领域的明星材料,是由于其具有长的载流子寿命、高的光吸收系数、合适的光学带隙和高的量子产率等优异性质。然而,全无机钙钛矿材料对外界环境的变化较为敏感,例如在高温下一些全无机钙钛矿容易分解,另一些则会发生非钙钛矿的转变。而压力是独立于温度、化学成分之外的另一种物理学参量,是一种高效、清洁的工具。通过增加压力可以有效地缩短原子间的距离,使相邻电子轨道耦合增强,从而产生许多常压下不曾有的新结构和新性质。因此,对高压条件下全无机钙钛矿材料的光学性质进行探究,具有广阔的应用前景和重要的实用价值。本论文对CsPbI3纳米晶的结构变化、带隙演化和载流子动力学进行了原位高压研究,具体的研究结果如下:1、压力作用下CsPbI3纳米晶发生了相变。在0.39 GPa时,稳态发射、吸收光谱由一开始的红移转变为持续的蓝移。同时,随着压力的增加,CsPbI3纳米晶的荧光峰位与荧光强度在0.39 GPa处均产生了拐点。根据Tauc曲线外推法,得出了CsPbI3纳米晶带隙随压力的变化曲线,进一步明确了压力作用下所产生的相变。此外,对压力作用下CsPbI3纳米晶的结构变化也进行了分析,发现CsPbI3纳米晶的相变主要来源于Pb I6-八面体结构的收缩与倾斜。由于初始压力作用的梯度较小,Pb I6-八面体收缩处于主导模式,这样加强了Pb 6s和I 5p电子轨道的耦合,使价带能量升高,带隙减小。当压力超过0.39 GPa后,Pb I6-八面体倾斜成为主要趋势,由于Pb-I-Pb之间的键角减小,削弱了Pb 6s和I 5p电子轨道耦合,带隙扩宽。2、压力作用下CsPbI3纳米晶的动力学发生了改变。利用高压技术与时间相关的单光子计数技术相结合的手段,探究了压力作用下CsPbI3纳米晶的载流子动力学过程。根据荧光衰减动力学曲线随压力的变化趋势,可以看出晶体结构的相变对载流子动力学过程也产生了影响。同时,CsPbI3纳米晶的荧光量子产率随着压力的增加大幅度减少,而辐射寿命在不断升高,表明非辐射通道在压力的作用下进一步打开,与辐射通道形成竞争。此外,利用单分子、双分子复合对CsPbI3纳米晶的载流子动力学展开了进一步研究,发现单分子、双分子复合率随压力的增加减慢。这一现象表明单分子复合中的非辐射通道和双分子复合中的非辐射通道共同作用于辐射通道,导致了CsPbI3纳米晶的荧光量子产率降低。
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