全无机卤化铅钙钛矿量子点的合成、光学性质及稳定性研究

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全无机卤化铅钙钛矿(CsPbX3,X=Cl,Br,I)近年来由于其优异的光电性能而备受关注。CsPbX3量子点(QDs)的光学性能可以通过对尺寸、形貌和组成的控制来调节。此外,它还表现出在整个可见光谱范围内的荧光(PL)的可调性,高荧光量子效率(PLQY)、窄半峰宽(FWHM)、强缺陷容忍性和长载流子寿命,这些优点都使得此类材料在光电应用领域有着广阔的前景。但是CsPbX3量子点的表面缺陷会引起大量的非辐射复合,同时陷阱缺陷会造成电荷-载流子注入势垒,这会影响到CsPbX3量子点的光电性能。另外,由于CsPbX3量子点本身的离子结构以及较大的表面能,它通常会存在不稳定性的问题,使得CsPbX3量子点在辐射、热量、水分、氧气等作用下极易发生相变甚至是分解,这极大地阻碍了它的实际应用。同时胶体法制备的CsPbX3量子点由于其表面积大、表面缺陷位点多,所以通常存储稳定性较差,并且易发生团聚,这也限制了其潜在的商业应用。本论文通过对热注射法进行了改进,成功合成了形貌高度可控的CsPbBr3量子点,并对其形貌、结构以及性能进行了系统的表征。同时根据CsPbBr3量子点性能上的不足对其进行修饰,通过Ni元素掺杂进一步提高了它的光学性能,通过磷酸铅“牺牲式”包覆大幅度提高了其稳定性,最终结合两种方法使CsPbBr3量子点的光学性能和稳定性都得到了极大的提高。具体内容如下:(1)通过热注射法合成了形貌高度可控的立方相CsPbBr3量子点,其平均尺寸为12.2 nm,荧光发射波长为516 nm,半峰宽为18.69 nm,平均荧光寿命为11.33 ns,荧光量子产率为61.42%。(2)对CsPbBr3量子点进行Ni掺杂处理,利用Ni离子与卤素离子八面体配位的倾向,从而钝化其表面缺陷,改善了量子点晶格的短程有序性,进一步提高了它的发光性能。和初始CsPbBr3量子点相比,Ni掺杂CsPbBr3(Ni-CsPbBr3)量子点的荧光强度、平均荧光寿命和荧光量子产率分别提升了181%、93%和15%。(3)使用磷酸铅对CsPbBr3量子点进行了独特的“牺牲式”包覆,将量子点的原始表面层作为磷酸铅的前驱体,通过均匀、薄而致密的无机壳层有效地稳定了CsPbBr3量子点。磷酸铅包覆CsPbBr3(c-CsPbBr3)量子点在100℃下持续加热1 h后荧光强度维持为原始值的84%,在环境条件(25℃,60%RH)下存储21天也未发生相变。同时它的发光性能也获得了一定的提升,相较于初始CsPbBr3量子点而言,其荧光强度、平均荧光寿命和荧光量子产率分别提升了 146%、48%和37%。(4)将Ni元素掺杂和磷酸铅包覆处理同时应用于CsPbBr3量子点,在大幅度改善其发光性能的同时也提高了其稳定性。磷酸铅包覆Ni掺杂CsPbBr3(c-Ni-CsPbBr3)量子点的荧光强度、平均荧光寿命和荧光量子产率和初始CsPbBr3量子点相比分别提高了 657%、131%和47%。此外,在100℃下持续加热1h后其荧光强度保持其原始值的81%,在环境条件下存储21天未发生相变。通过结合绿色发光的c-Ni-CsPbBr3量子点、红色发光的CdSe基量子点和蓝色发光的GaN芯片,获得了量子点增强膜(QDEF)来制备宽色域覆盖范围的液晶显示器(LCD)背光源,其色域覆盖了美国国家电视标准委员会(NTSC)标准的121%。
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