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新型金属卤化物钙钛矿材料及器件研究取得系列进展

(2018-03-27)

近年来,具有钙钛矿结构的金属卤化物作为一种新型直接带隙离子型半导体材料在光电应用领域受到广泛关注。特别地,具有可见光谱区带隙连续可调、荧光单色性高(半高宽小于20nm)以及高荧光量子效率(PLQY>50%)的CsPbX3X=ClBrI)纳米晶相比于传统量子点材料在发光性能方面更具优势。普通金属硫属化物胶体量子点(如CdSe NCs)需要非常小的尺寸(≤5 nm)才能在蓝绿色光谱段发光,并且由于缺陷态的存在表现出相当低的荧光量子产率(PLQY≤50%),需要通过精细包覆具有更强化学稳定性、更宽带隙的的外延层(如CdS)来提升其PLQYCsPbX3纳米晶由于其高效的光致发光性能和高色纯度(<20 nm的发射线宽),激发了其作为发光二极管(LED)中发光层的应用研究,但其电致发光效率还有待提升。

近日,我院姚宏斌教授、张群教授和南京理工大学曾海波教授合作J. Am. Chem. Soc.发表了题为Ce3+-Doping to Modulate Photoluminescence Kinetics for Efficient CsPbBr3 Nanocrystals Based Light-Emitting Diodes的论文(J. Am. Chem. Soc. 2018, 140, 3626−3634),报道了通过简单的热注入法掺杂Ce3+离子来提高CsPbBr3纳米晶的光/电致发光效率的研究工作(图1)。CsPbBr3纳米晶的光谱表征结果显示随着Ce3+掺杂量的增加,纳米晶的荧光量子产率得到了显著提升。同时利用超快吸收光谱和荧光寿命分析,进一步证明了Ce3+掺杂可以有效调控CsPbBr3纳米晶的光谱动力学:Ce3+掺杂导致在CsPbBr3导带底引入一个带边态,提供了更多的辐射复合通道,加快了纳米晶中电子-空穴复合动力学,因而显著提升CsPbBr3纳米晶的荧光量子效率。同时,采用Ce3+掺杂的CsPbBr3纳米晶作为发光层制备的新型发光二极管器件,与未掺杂的CsPbBr3纳米晶相比,器件的电致发光外量子效率从1.6%提高到了4.4%。研究结果表明镧系元素离子掺杂到金属卤化物钙钛矿纳米晶中可以进一步实现对这类新型半导体纳米晶性能的多样化调控。该论文的共同第一作者是硕士生姚纪松,博士后葛晶和南京理工大学的韩博宁

2015年入职科大以来,姚宏斌教授课题组从探究尺寸限域的金属卤化物钙钛矿纳米材料的可控合成方法出发,发展了反溶剂沉淀法和高温油相法合成了一系列新型金属卤化物钙钛矿纳米材料,同时实现了离子掺杂金属卤化物钙钛矿纳米晶的制备。利用简单的溶液沉积法,该课题组制备了具有高荧光效率的类钙钛矿层状结构CsPb2Br5纳米片,为研究二维金属卤化物钙钛矿材料的新型光学性质提供了材料基础Angew. Chem. Int. Ed.201655, 8328)。同时,利用金属卤化物钙钛矿的离子晶体特性,通过在合成的CsPbBr3纳米方块中加入桥连络合物十二烷基胺-溴化金(DDA-AuBr3)实现了CsPbBr3纳米方块在三维方向上的组装(Langmuir 2018, 34, 595)。进一步,通过溶液沉积法得到有机-无机杂化钙钛矿(C4H9NH3)2PbBr4一维纳米带,这是首次报道由简单沉积法大量合成一维(C4H9NH3)2PbBr4纳米带。基于该材料的一维结构在电子-空穴分离方面的优势,构建了柔性光电探测器,器件表现出响应电流高、开关比大等优异性能(Adv. Optical Mater. 2018, 6, 1701029)。

1. Ce3+掺杂对CsPbBr3纳米晶发光动力学调制提升其电致发光性能

    以上研究工作得到了科技部重点专项、国家自然科学基金、国家青年千人计划、校启动基金等项目的资助



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