铯铅卤钙钛矿纳米晶的制备及其在发光显示中的应用

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自2015年起,铯铅卤全无机钙钛矿(CsPbX3,X=Cl、Br、I)纳米晶作为一种新型的光伏材料在光电领域开始崭露头角,并取得了一系列的突出性研究成果。CsPbX3纳米晶因其具有极高的发光效率、高的色纯度、可调的光学带隙并覆盖整个可见光波段和低的制备成本等优点,在固态照明与显示领域展现了巨大的潜在应用价值。尽管CsPbX3纳米晶在可见光波段呈现出不同的光色,但是基于粉色光发射的研究鲜有报道,这在很大程度上限制了CsPbX3纳米晶在特殊照明领域的应用。更为重要的是,进一步优化荧光效率和稳定性,是CsPbX3纳米晶实现商业化应用的关键所在,而表面态调控被认为是一种行之有效的优化策略。目前,基于铯铅卤纳米晶的图案化研究还比较少,提出一种简单、快速和精准的图案化策略用于CsPbX3显示器件的集成和微型化成为迫切需求。鉴于此,本论文的研究工作如下:(1)通过室温后合成法成功制备了Mn掺杂的粉色CsPbX3纳米晶,这主要得益于激子到掺杂Mn2+之间的能量转移机制以及Mn2+内部的辐射复合过程(4T1→6A1能级跃迁)。系统地研究了Mn掺杂量对粉色纳米晶尺寸和光学性质的影响关系。采用含铅和不含铅的两种卤盐对粉色纳米晶进行阴离子交换反应,研究结果表明Mn2+与Pb2+之间的阳离子交换反应是造成能量转移过程不可逆的主要原因。通过对粉色纳米晶进行Si O2包覆,钙钛矿激子的能量转移过程得到了很好的维持,实现了掺杂峰强度的长期稳定。将Si O2包覆的粉色纳米晶集成在395 nm的近紫外芯片上,成功制造了粉色LED。该工作为粉色LED的制造提供了一种简单可行的策略,在霓虹灯、植物生长灯等特殊照明领域具有广阔的应用前景。(2)采用双十二烷基二甲基溴化铵(DDAB)和不同链长的有机酸作为表面活性剂,通过室温配体辅助再沉淀法制备具有不同形貌特征的Cs Pb Br3纳米晶,并且探索了两种配体的使用量对产物形貌与光学性质的影响。根据时间分辨荧光光谱和瞬态吸收光谱的测试结果,进一步证实了在所制备的纳米晶中实现了缺陷钝化,有效地抑制了非辐射复合,从而使其表现出长的载流子寿命与高的荧光量子产率。另外,水、空气稳定性试验表明所制备的纳米晶具有良好的稳定性。最后采用绿色纳米晶粉末进行白光LED的制造。该LED白光发射对应的CIE 1931色坐标为(0.330,0.329),并且所对应的色域在CIE色度图上构成三角形面积约为NTSC色域的128%。因此,该工作所制备的Cs Pb Br3纳米晶在固态照明与显示领域具有潜在的应用价值。(3)通过采用532 nm飞秒激光加工系统可同步实现铯铅溴纳米复合物的制备及其图案化。该方法一步完成了铯铅溴纳米晶在极端环境条件下的原位形核和局域生长,这主要得益于飞秒激光诱导的非线性吸收和能量沉积导致的有机溶剂开环聚合。飞秒激光加工的产物形貌可以通过激光加工参数进行调控。通过采用导热性良好的基底可以显著降低纳米复合物的加工功率阈值,这为铯基卤化物钙钛矿在柔性基底上的集成提供了可能。此外,激光制造的图案呈现出明亮的绿色荧光,其具有窄的荧光发射峰(20 nm)。该工作中线图案具有很好的重复性和连续性,线宽可以小至1.2μm。这些研究结果表明该图案化策略在微型防伪图案和发光显示领域具有良好的应用前景。
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