离子组分调控铟基卤化物钙钛矿(Cs2InX5·H2O)发光性质的研究

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铅基卤化物钙钛矿具有发光光谱在可见区域可调和高的光致发光量子效率(PLQY),高的载流子迁移率等光电性能以及制备成本低,制备方法简单等特点,成为了光电、光伏领域中最具潜力的半导体材料。然而,卤化铅钙钛矿稳定性差以及重金属铅的毒性阻碍了其进一步的应用。为此,无铅钙钛矿逐渐受到了人们的关注。其中,铟基卤化物钙钛矿Cs2In X5·H2O在引入Sb3+掺杂后,表现出较好的稳定性及较强的自陷激子发射(STE),在蓝光、绿光、橙光等可见光区域已经取得了一定的研究进展。然而,具有高效红光发射的铟基卤化物钙钛矿的研究至今尚未被报道。本文围绕铟基卤化物钙钛矿Cs2In X5·H2O:Sb(X=Cl,Br,I)及Cs2In Cl5·H2O:Te,分别通过调节卤素离子的成分和比例及Te4+掺杂的比例开展研究,取得了如下的研究成果:(1)通过设计和调节Cs2In X5·H2O:Sb中的卤素成分及比例,实现了对Cs2In X5·H2O:Sb钙钛矿材料STE发光的有效调控,发光峰在598~750 nm范围内可调。其中,Cs2In Cl Br4·H2O:Sb的发光峰位于680 nm,属于红光区域,具有最高的PLQY(~93%),同时表现出较好的热稳定性,适合制备白光发光二极管(WLED),有利于其在照明领域中的进一步应用。此外,通过对变温PL光谱的分析,拟合及密度泛函理论计算结果,我们发现在适当的卤素离子组分和比例下,可以钝化晶体内的缺陷,抑制载流子的热逃逸等非辐射复合过程;同时使得Jahn-Teller晶格畸变增强,减小自陷能级与价带之间的能带宽度,是PLQY增强及发光峰红移的主要原因。(2)此外,本文合成了异价金属离子Te4+掺杂的Cs2In Cl5·H2O铟基卤化物钙钛矿,通过调节Te4+的掺杂比例,获得了最高22%发光效率的红光发射的钙钛矿材料Cs2In Cl5·H2O:Te,其发射峰位于660nm。通过变温荧光光谱等测试表明,异价离子Te4+掺杂相较于同价离子Sb3+掺杂,产生了更大的晶格畸变,更大程度地增加了Cs2In Cl5·H2O的斯托克斯位移,而同价Sb3+离子掺杂则具有更高的PLQY和更好的热稳定性。本文的工作为制备高效红光铟基钙钛矿材料提供了一种简单易行的策略,为进一步促进无铅、无镉等环保型钙钛矿发光材料在白光照明及显示领域中的应用提供了一种新的思路。
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