高压下A/B位掺杂金属卤化物类钙钛矿材料的光学性质研究

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金属卤化物钙钛矿材料(MHPs,Metal Halide Perovskites)因其突出的光电学性能、易制造且成本低等特点在太阳能电池、发光二极管等光伏领域中有着广泛的应用价值。与此同时,某些金属卤化物钙钛矿材料由于本身组分而存在一些缺陷,如在热/紫外线和环境氧/湿气等外部环境下的长期稳定性或光学性能表现略差,使该种半导体材料的发展存在局限性,进而导致其从实验室走向实际的市场应用仍存在一定阻碍。为了避免上述问题,研究者们提出采用离子掺杂或取代的手段对该材料的光学性质或结构进行调控,其中A/B位掺杂或取代组成成分的MHPs已经成为最近研究中的聚焦点。然而,经过大量的研究发现,虽然通过掺杂或取代组分的方式确实可以改善MHPs材料的稳定性和光学性质,但仅仅通过离子掺杂或取代这一种方式对材料的性质或结构进行调节,不仅作用时间长而且难以精确控制。近期,具有高效、节能、无污染等特点的高压技术成为了新一代调控材料物化性质的有效手段之一。其可以在不改变组成成分的情况下较为精确地调控MHPs的结构及性质,从而达到提升材料的稳定性、优化带隙等光学性质的目的。因此本文在离子掺杂或取代的基础上,采用高压技术,探究高压对MHPs光电性质和晶体结构的影响,为此种材料在未来更多领域的应用拓宽道路。本文分别各选择一种具有代表性的A/B位掺杂的MHPs材料作为研究对象。首先,我们在室温下采用两步溶液法将硫离子引入取代胺根离子,制备出了(CH3)3SPb I3晶体。在此之上,利用高压DAC技术结合原位高压荧光光谱、原位高压紫外-可见吸收光谱、原位高压拉曼光谱,首次探究了(CH3)3SPb I3晶体的光学性质和结构上的压力响应。通过对实验数据的分析我们发现,在整个施压区间(0-20.1 GPa),(CH3)3SPb I3的光学带隙从最初的2.86 e V逐渐窄化至1.96 e V,表现出高达31.5%的光学带隙压缩率。与此同时,样品在压力的调控下,还表现出明显的压致变色现象,其样品颜色变化过程为:浅黄色-橙黄色-橙色-橙红色-深红色-不透明黑色,且整个变化过程卸压可逆的。另外,我们在低压范围内(0-3.2GPa)观察了20倍的荧光增强。根据先前的文献报道,我们推测这些光学变化可归因于,高压作用下[Pb I6]4-八面体的对称性降低,并且在3.1 GPa时晶体结构发生了从六方相(P63mc)向单斜相(Cc)的相转变。随后,我们又我们利用高温反应釜法制备了五种掺杂比例的Cs2Zr1-x Tex Cl6(x=0.002、0.004、0.006、0.008、1)晶体粉末,并采用相同的高压技术对其中较有代表性的Cs Zr1-x Tex Cl6(x=0.004)晶体粉末的光学性质演变进行了探究。实验结果表明,随着压力的增加,Cs Zr1-x Tex Cl6(x=0.004)晶体粉末的荧光发射中心呈现出先蓝移后红移的趋势,并且伴有橙黄色-浅黄色-浅绿色-绿色的四色荧光颜色调控现象,且卸压完全可逆的。更值得注意的是,样品在高达32.2 GPa的高压作用下仍具有较强的荧光强度,这较为罕见。同时我们观察到,在高达21.0 GPa压力作用下,样品的能带间隙仍呈现出较为稳定的状态,体现出Cs Zr1-x Tex Cl6(x=0.004)晶体优异的耐压性。根据先前的文献报道,我们推测这样的光学变化可归因于压力作用下[Te Cl6]2-八面体扭曲导致的。本论文所阐述的实验结果可说明:高压对A/B位掺杂的金属卤化物类钙钛矿材料的光电性质有良好调节效果,这为设计新一代具优异光电性质的光伏材料拓展了新思路。
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