新型金属卤化物类钙钛矿发光材料的设计、合成及发光性能研究

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近年来,以铅卤钙钛矿为代表的金属卤化物半导体材料受到了学术界和产业界的广泛关注。其中,低维金属卤化物类钙钛矿发光材料因其具有低成本制备、高吸收系数及可调的带隙和发射等优点在固态照明、显示和光电探测等领域展现了不俗的应用前景。然而,这类荧光材料大多数具有含有重金属毒性元素铅(Pb),材料稳定性差和发光量子效率(PLQY)低等缺点,这严重阻碍了该类荧光材料的实际应用前景。因此,探索低维金属卤化物钙钛矿材料的结构设计原则并通过组分调控来提高其发光性能以获得高性能、环保和稳定的新型类钙钛矿发光材料将具有十分重要的科学意义。基于此,本论文围绕几种新型零维(0DN)金属卤化物发光材料开展研究,具体内容和研究结果如下:一、分别以四乙基季铵阳离子TTA+和苄基三乙基季氨阳离子TEBA+为材料构成的主体阳离子,选用低毒金属阳离子Sb3+与之配位形成无机多面体阴离子作为材料构成的客体部分,采用反溶剂扩散法在室温下合成了两种新型有机无机杂.化锑氯化合物单晶(TTA)2SbCl5 和(TEBA)2SbCl5。(TTA)2SbCl5 和(TEBA)2SbCl5 具有典型的ODN晶体结构类型即构型结构的有机成分TTA+(TEBA+)和无机多面体结构单元[SbCl5]2-间相互独立存在。300 nm激发下,(TTA)2SbCl5可发射覆盖整个可见光谱的双带白光,作为单基质白光发射材料其PLQY高达68%;365 nm激发下,(TEBA)2SbCl5在发射宽带黄光的同时有着接近于100%的PLQY。稳态和瞬态光谱技术并结合态密度泛函理论计算(DFT)表明双带的发射分别源于局域于无机多面体[SbCl5]2-内的三线态和单线态自陷激子的辐射复合。此外,(TTA)2SbCl5和(TEBA)2SbCl5还具有很好的稳定性。以(TEBA)2SbCl5黄色荧光材料作为下转换荧光粉并结合商业蓝粉BaMgAl10O17:Eu2+及365 nm紫外芯片构建了白光LED。该白光LED的CIE坐标为(0.36,0.33),色温(CCT)为4282 K,显色指数(CRI)为84,且该白光LED具有良好的色稳定性。二、以常见的苄铵离子PEA+为材料构成的主体阳离子部分,选取无毒金属阳离子In3+与之配位形成无机多面体阴离子作为材料构成的客体部分,通过水热生长法成功合成了一种新型有机无机杂化铟卤化合物单晶(PEA)6InBr9·H2O。(PEA)6InBr9·H2O同样具有ODN晶体结构类型。室温下,(PEA)6InBr9·H2O具有独特的双带发射特征,位于短波区域的青光能带的发射强度远远强于带尾的红光发射能带。稳态及瞬态光谱表征和第一性原理计算表明占据主导的高能青光发射带源于结构中的有机阳离子PEA+,位于带尾的较弱红光发射带则是无机[InBr6]3-八面体结构单元内的自陷激子辐射复合的结果。Sb3+掺杂有助于激子的进一步局域化,提高自陷激子的辐射复合效率,从而实现带尾红光发射的大幅增强。最终,当掺杂1%的Sb3+时可获得PLQY为23.36%的单基质暖白光发射,其相应的CIE坐标为(0.40,0.36),CCT 为 3347 K及CRI 为 84。三、在室温下采用简便快速的共沉淀法成功大批量制备了一系列不同Te4+浓度掺杂的无铅钙钛矿衍生物(NH4)2SnCl6:Te荧光粉。近紫外激发下,(NH4)2SnCl6:Te能够发射宽带橙光,其峰值位于590 nm处,半高宽为127 nm,斯托克斯位移可达200 nm,PLQY最大可达83.51%。稳态、瞬态光谱表征及DFT计算表明引入的Te4+取代原有结构中的Sn4+能够引起激子的有效局域化,提高自陷激子的辐射复合效率,最终引起宽带橙光的发射。此外,(NH4)2SnCl6:Te荧光材料还具有较好的化学稳定性和发光稳定性。通过结合390 nm近紫外芯片、商业蓝色荧光粉及(NH4)2SnCl6:Te橙色荧光粉成功制备了优异性能参数的暖白光LED器件,具体表现为该白光LED的CIE坐标为(0.39,0.38),CCT为3855 K,CRI为83。同时,该白光LED还具有良好的色稳定性,随着驱动电流从5 mA增加至50 mA,色坐标没有发生漂移,且在在25 mA驱动电流下中连续点亮12 h,电光强度几乎没有下降。
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