有机-无机杂化钙钛矿发光材料的制备及光子学研究

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有机无机杂化钙钛矿材料(AMX3)由于其优秀的光电性能,比如,溶液可加工性,长程激子迁移距离,良好的光捕获能力和优异的增益性质,吸引了广泛的关注。现阶段已经被应用于钙钛矿太阳能电池,发光二极管,光电检测器和激光方面的应用。然而,钙钛矿材料的由于其自身结构的原因存在较差的水稳定性和热稳定性,以至于对于其未来发展来讲,稳定性将会成为最大的挑战。在本文的工作中,我们的研究聚焦在自组装制备的纳米或者微米尺寸的钙钛矿晶体上,力图实现高效发光、高稳定性的钙钛矿晶体。主要研究的内容如下几个方面:  1.制备了三种不同形状的CH3NH3PbBr3多边形二维微盘激光器。四边形、六边形和八边形微盘均可以通过一种简易制备的方法,控制不同晶体面的生长速度分开获得。更为重要的是我们将其内嵌到防水的透明柔性聚合物中,可以被用作柔性的光子学的器件。另外,用将聚合物作为外覆保护层,使得钙钛矿微盘结构的水稳定性大大提高,可以实现在水中浸泡10小时候依然正常工作,首次制备了防水钙钛矿激光光源。  2.设计了一种全新制备无机钙钛矿纳米晶体CsPbX3(X=Cl,Br,I)的方法。并将其内嵌到防水聚合物中制备出具备良好的防水性质杂化半球结构。多色发光的半球结构可以作为发光探针,用于多色的生物标记应用中。室温下PVP作为配体,通过物理吸附和缠绕的方式制备高的发光纯度和窄尺寸分布的CsPbX3(X=Cl,Br,I)钙钛矿纳米晶体的方法。利用溶液体系的优势,将制备的钙钛矿纳米晶体嵌入到防水聚合物(聚苯乙烯,PS)中制备了纳米晶体/聚合物的杂化半球结构。PVP作为纳米晶体的保护层,对纳米晶体的生长起到了很好的调控作用,同时作为介质层,将纳米晶体很好的富集到了聚合物半球结构中。制备的杂化半球结构被证明可以应用于活体细胞的生物标记,而且具备良好的稳定性和生物相容性。  3.报道了一种通过一步溶液自组装的方法制备零维钙钛矿Cs4PbBr6菱形微米块单晶的方法。其发射光谱半峰宽仅为16.8nm,且具有52%的发光量子产率。通过测量其发光强度随着能量和温度变化的曲线,证明其强发光来自于束缚在独立的八面体中具备303.9meV的高激子结合能的激子直接复合发光获得。因而推测,存在于零维钙钛矿Cs4PbBr6中的激子类似于有机半导体中的Frenkel激子类型。由于过量Cs离子的穿插在八面体之间,阻断了八面体之间的连续性,使得零维零维钙钛矿Cs4PbBr6具有特殊的稳定性,得到的零维钙钛矿Cs4PbBr6微米晶体在热稳定性和离子交换的稳定性方面体现出明显的稳定性的提高。该研究提供了一种获得高质量零维钙钛矿Cs4PbBr6单晶微米块的有效方法,依其具备良好的发光和稳定性可以在未来的光电领域中发挥作用。  4.二维Ruddlesden-Popper perovskites(RPPs)结构BA2MAn-1PbnBr3n+1材料在室温下具备强的激子结合能。高效率的太阳能电池和发光二极管已经被报道,然而其增益和激光行为还未被报道。在这里我们证实了光生的载流子会在极快的能量级联传递的过程中,快速的富集到能量最低的二维RPP中上实现粒子数反转,进而实现放大辐射和激光。在同样为100nm厚度的薄膜样品上,二维钙钛矿的增益系数是三维钙钛矿的四倍以上。利用模板压印的方法,制备了高密度大范围的二维钙钛矿微环结构。这些微环结构可以作为回音壁的谐振腔,其微腔的品质因子高达2600。一致的激光模式和阈值使得这些可以作为激光阵列,并同时工作。这个发现预示着二维钙钛矿材料是理想的溶液制备的增益材料,有望实现电泵激光和光子学芯片集成。
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