钙钛矿纳米晶玻璃材料的制备、光学性能及其LED应用研究

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全无机钙钛矿卤化铯(CsPbX3,X=Cl,Br,I)纳米晶具有优异的光热性能和光致发光等性质,如明亮可调的发光特性,较窄的发射光谱,较高的发光效率,在发光二极管,激光器,偏振器,太阳能电池和光电探测器等制造技术中有着广泛的应用。根据有关文献报道,CsPbBr3纳米晶在整个可见光谱中的发射波长涵盖410-700nm,最高量子效率值达到90%。热注入法制备的CsPbX3纳米晶的胶体性质仍然存在空气和湿热环境下不稳定的问题。因此,我们将全无机卤化铅铯钙钛矿纳米晶掺入到一些稳定的玻璃基质材料中而后通过一些现代化测试分析研究了其形貌、微结构以及其光学性质。主要的研究内容如下:(1)在前人实验的基础上,采用传统的熔融热处理技术,在同一热处理温度下成功制备出了CsPbBr3、CsPbBr1.5I1.5、CsPbI3三种纳米晶玻璃。CsPbX3纳米晶的荧光光谱可以从500 nm调谐到700 nm。在蓝光或紫外光的激发下,CsPbBr3、CsPbBr1.5I1.5、CsPbI3三种纳米晶玻璃分别呈现出高效的绿色、橘色、红色光致发光,但量子效率都不是很高,分别为42.5%,15.5%,17.2%。将三种纳米晶玻璃与蓝光芯片复合,可得到三个具有高色纯度的LED元件,在蓝光芯片的激发下,CsPbBr3纳米晶玻璃基的LED色纯度高达99.6%。(2)纯纳米晶玻璃存在的不足在于纳米晶玻璃的量子效率比纳米晶溶液的量子效率低得多,以CsPbBr3纳米晶玻璃为主要研究对象,欲通过两种途径以提高纳米晶玻璃的量子效率。首要的改进途径是通过改变原料配方,拟通过调节纳米晶在玻璃中的摩尔浓度来提高CsPbBr3纳米晶玻璃的量子效率。另一种途径是采用杂原子掺杂,如Sn2+,Mn2+,Rb2+等过渡金属离子、Eu3+/Eu2+稀土离子,来提高其量子效率。本论文选用具有丰富能级的稀土元素Eu,主要通过改变稀土离子在玻璃中的摩尔浓度以达到提高量子效率的效果。值得注意的是,在蓝光芯片的激发下,纳米晶玻璃随着Eu离子浓度的改变表现出由绿到红的荧光发射,经过简单的复合,四种不同发光的LED简易元件被成功构建。(3)在CsPbBr1.5I1.5晶格中引入稀土Eu离子,Eu离子主要占据在纳米晶中Pb位点和Br位点附近,实验结果表明,掺杂低浓度的Eu离子后,CsPbBr1.5I1.5纳米晶的量子效率被有效提高。这一结果是因为掺杂Eu离子后,Eu的能级被有效引入钙钛矿能级时,价电子可以跃迁到铕的部分能级中再回到基态,这一过程可以有效减少价电子与体系中缺陷的复合,从而提高了纳米晶玻璃的量子效率。Eu离子掺杂的CsPbBr1.5I1.5纳米晶玻璃是一种有潜力的红光玻璃,在构建Ce:YAG基WLEDs时可作为红光成分大大提高了其显色指数,显色指数从60.9增加到了92.4。
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