金属卤素钙钛矿发光材料的制备及其性能研究得益于突出的光电性能,包括直接带隙、带隙易调节、宽光谱吸收、光吸收系数大、载流子迁移距离长、荧光发射效率高、发射光谱窄等,金属卤素钙钛矿材料近年来成为一类“明星”半导体材料,受到材料学家的广泛关注。

它们被广泛应用于制备高性能光电器件,如太阳能电池、发光二极管、光电探测器和激光器等,展现出非凡的应用潜力。

但是,金属卤素钙钛矿材料是离子型晶体材料,对湿度、光照、温度等环境因素非常敏感性,容易发生晶型改变甚至分解。

科研工作者们普遍重视相关器件效率的提升,但是对于提升材料本身的稳定性以及器件稳定性的研究相对较少。

此外,低成本大量合成对这类材料的推广应用尤为重要。

虽然报道的制备方法繁多,但仍缺乏有关合成工艺参数对材料特性影响的较为深入的研究。

探究金属卤素钙钛矿的简单可控合成,提高材料稳定性对于这类新型半导体材料在未来的发展和应用极具意义。

本论文围绕两个核心问题开展研究工作,一是快速宏量制备金属卤素钙钛矿发光材料,二是提高金属卤素钙钛矿及其制备的器件对湿度、空气、和温度的稳定性。

本论文共有四个章节,每章主要内容如下:第一章,首先介绍钙钛矿材料的晶体结构、基本性质、基本分类,随后重点介绍新兴的金属卤素钙钛矿发光材料,对此类材料的合成方法、光电器件应用、提升材料和器件稳定性策略作了详实的梳理,最后点明了本论文的选题依据和研究内容。

第二章,通过简单的配体辅助再沉积法,快速且大量合成有机无机杂化丁胺-溴化铅钙钛矿(C4H9NH3)2PbBr4微米片和纳米带,并对纳米带的生长机理和结构进行了深入的研究。

发现钾离子的调控有利于获得尺寸均匀的纳米带。

这也是首次报道由简单溶
液沉积法宏量合成一维(C4H9NH3)2PbBr4纳米带。

所制备的纳米带粉末在空气中稳定存在一个月,在紫外灯照射下显现出明亮的蓝紫色荧光,荧光效率高达16.6%。

通过简单的涂布法,该课题组还在柔性基底电极上构建了(C4H9NH3)2PbBr4纳米带光电探测器,并测试了其光响应性能。

研究发现,相对于杂化钙钛矿(C4H9NH3)2PbBr4微米片构建的光电探测器,
纳米带光电探测器表现出更高的响应电流和更大的开关比,这得益于纳米带所构筑的具有孔隙的网络结构,更有助于光的散射,增加了光的利用率。

同时基于纳米带的探测器表现出更好的抗弯折性,在柔性基底弯曲1000次后,其响应电流仅降低10%。

另外,纳米带探测器在空气中放置一周后,响应电流仅降低20%,体现其良好
的稳定性。

第三章,通过简单的配体辅助再沉积法,合成稳定的双相
CsPbBr3-CsPb2Br5纳米晶,并用于提升发光二极管器件的稳定性。

在此合成工艺中,富含溴化物的环境有利于合成高质量的双相钙钛矿纳米晶,其荧光量子产率高达92%,且发射线宽只有19 nm。

更重要的是,与先前报道的单相CsPbBr3纳米晶相比,合成的双相钙钛矿纳米晶薄膜在空气中(湿度30%～55%)的加热测试中表现出极高的热稳定性。

即使在200℃下进行退火处理,也能保持较高的荧光强度。

双相
CsPbBr3-CsPb2Br5较好的热稳定性可归因于CsPbBr3和CsPb2Br5之间的界面相互作用。

基于良好的稳定性,我们在空气中制备CsPbBr3-CsPb2Br5发光层并构造了
发光二极管器件。

性能测试显示其开路电压仅为2.5 V,最高亮度可达8383 cd m-2。

与基于单相CsPbBr3纳米晶的发光二极管相比,双相CsPbBr3-CsPb2Br5器件
性能更好,EQE更高和工作寿命更长。

末章,总结与展望。

对通篇论文进行总结归纳,分析了金属卤素钙钛矿发光材料以及器件的进一步发展所面临的问题和机遇。