CsPbBr3-xClx钙钛矿薄膜的制备及发光特性的研究

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金属卤化物钙钛矿(Cs Pb X3)因具有可调谐的带隙,高的载流子迁移率和超高色纯度等优异的光电特性,已经成为光电器件的研究热点。蓝光作为三基色之一,成为研究照明显示器件不可或缺的一环。但受限于缺陷容忍性差和稳定性差等问题,蓝光钙钛矿器件的性能远远落后于红光和绿光器件,是制约着蓝光钙钛矿发光器件应用的核心问题。蓝光钙钛矿因固有的空位点缺陷而形成非辐射复合中心,造成钙钛矿晶体的退化,器件发光效率和稳定性的降低。此外,混合卤素钙钛矿中的离子迁移还会出现相分离的现象,失去带隙可调谐性。为了抑制离子迁移,通过调控结晶动力学和钝化晶界缺陷等,可提高钙钛矿的稳定性和发光性能。基于上述分析,本论文围绕全无机蓝光钙钛矿薄膜开展研究,分析了快速退火热处理对钙钛矿结晶质量和光学特性的影响,实现了蓝光全无机钙钛矿电致器件的制备,并对表面钝化缓解相分离的现象展开讨论,为实现高性能蓝光钙钛矿光电器件提供新思路。本论文主要研究内容和成果如下:(1)利用真空双源共蒸发法,制备了硅基Cs Pb Cl3薄膜。Cs Pb Cl3薄膜实现了深蓝区域410 nm的发光,发光峰的半峰宽为13 nm。通过空气快速退火处理,调控晶体的结晶过程。随着退火温度的升高和退火时间的延长,薄膜的结晶性和发光强度出现先增强后减弱的现象。相比于未退火的Cs Pb Cl3薄膜,最佳条件退火下的Cs Pb Cl3薄膜的光致发光强度明显增强,平均晶粒尺寸由268 nm增大到4.2μm。此外,经3年发光稳定性测试,Cs Pb Cl3薄膜光致发光衰减不超过15%,表现出优异的环境稳定性。(2)利用射频磁控溅射法,生长了空穴传输层Ni O和电极层,并基于上一节的钙钛矿成膜工艺,制备全无机Cs Pb Cl3电致发光器件,器件结构为ITO/Ni O/Cs Pb Cl3/Si/Ag。器件呈现出明显的发光二极管整流特性,开启电压为3V,实现了Cs Pb Cl3薄膜的蓝色电致发光,发光峰位为410 nm,色坐标为(0.20,0.10)。对发光层和空穴注入层的厚度做出进一步的优化,随着发光层和空穴注入层厚度的增加,器件的发光性能均是先提升后降低,最佳的钙钛矿层和空穴注入层厚度分别为150 nm和25 nm,载流子实现最佳有效注入,器件具有最高的发光性能。(3)利用真空双源共蒸发法,制备了硅基Cs Pb Br Cl2薄膜。卤素离子的替换增大了薄膜的晶粒尺寸,减小了钙钛矿的带隙,从3 e V到2.8 e V,实现了450nm的蓝色荧光发射。持续光照下,Cs Pb Br Cl2薄膜因卤素离子的迁移迅速发生相分离,置于暗室5 min后光谱恢复到初始状态,实现相分离的可逆。为了抑制相分离,对薄膜进行快速退火,提高了结晶质量,相分离得到有效抑制,但薄膜出现孔洞。对此,添加钝化层Si O2层,既提高薄膜覆盖率,又钝化了表面缺陷,并通过退火热处理,进一步阻碍离子迁移。当Si O2层厚度为10 nm,退火温度450℃时,在薄膜表面致密均匀的前提下,实现薄膜最高的发光强度和最佳的稳定性。
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