金属离子掺杂提高全无机钙钛矿纳米晶发光性质的研究进展

金属卤化物钙钛矿纳米晶由于其卓越的光电子性能,在发光二极管、激光器、X射线成像、太阳能电池及光电探测等领域中受到了极大的关注.与有机-无机杂化钙钛矿纳米晶相比,全无机钙钛矿CsPbX_3 (X=Cl, Br, I)纳米晶具有更优异的光电性能和更高的稳定性.为进一步提高CsPbX_3纳米晶的光致发光量子效率和稳定性,有研究已经着手调控纳米晶的微观结构,减少作为非辐射复合中心的缺陷.近年来,在金属离子掺杂CsPb X_3纳米晶过程中,发现不同种类和不同掺杂浓度的金属离子对其电子能带结构和光致发光性能有着巨大的影响,基于金属离子掺杂取得了光致发光量子效率接近100%的CsPb X_3纳米晶.本文综述了近年来在CsPbCl_3, CsPbBr_3, CsPbI_3和Mn~(2+)掺杂CsPbX_3 (Mn~(2+):CsPbX_3)四种体系中通过金属离子掺杂提高全无机钙钛矿纳米晶光学性能的研究进展及其性能提升的物理机制.此外,提出了下一步还需要深入研究的一些问题和策略,通过这些问题的深入研究,希望能促使全无机钙钛矿纳米晶在各种光电器件中得到更广泛的应用.     

全无机钙钛矿CsPbX_3热稳定性研究进展

凭借高量子效率、带隙可调、制备简单、高吸光系数和高耐缺陷性的优点,全无机钙钛矿(CsPbX_3,X=Cl,Br,I)材料在光电和光伏器件领域展现出较出色的应用前景。然而,现有材料热稳定性的不足降低了这些应用的耐久性和可靠性。本综述从全无机钙钛矿材料温度相关的热分解过程入手,有针对性地阐述了全无机钙钛矿热稳定性增强策略,并展示了迄今报道的高可靠性全无机钙钛矿光电和光伏器件的性能参数和应用领域。最后对今后发展热稳定全无机钙钛矿材料存在的机遇进行了展望。     

有机-无机杂化铜（Ⅰ）基卤化物闪烁体研究进展

近年来,有机-无机杂化金属卤化物材料由于其优异的光电性质引起了研究人员的广泛关注。其中低维铜(Ⅰ)基卤化物作为高效发光材料的代表,在照明与显示、辐射探测等领域表现出良好的应用前景。有机无机杂化铜(Ⅰ)基卤化物的组成和结构丰富多变,给研究人员提供了巨大的研究空间。本文综述了有机-无机杂化铜(Ⅰ)基卤化物作为发光材料的研究进展,并以[CuX_n](X=Cl,Br,I)结构单元及其连接方式为依据,对离子型有机-无机杂化铜(Ⅰ)基卤化物进行了系统的分类,总结了其组成-结构-性质之间的构效关系。讨论了有机-无机杂化铜(Ⅰ)基卤化物的发光机制和光物理过程,并重点归纳了用于X射线探测的有机-无机杂化铜(Ⅰ)基卤化物闪烁体的最新进展。最后,对这一新兴的研究领域做出了展望。     

铯铅卤化物钙钛矿量子点从玻璃中析出的诱导因素

铯铅卤化物(CsPbX_3,X=Cl, Br, I)钙钛矿量子点以其优异的光电性能(如可调的发射光谱、高色纯度和量子效率等)引起了研究者们的广泛关注,但较差的水稳定性、热稳定性和光稳定性等缺点极大地限制了其在光电器件中的应用。目前,提高铯铅卤化物钙钛矿量子点稳定性的一种有效方法是将CsX和PbX_2加入惰性玻璃陶瓷基质中,只要外界提供的能量可以克服成核和晶体生长的能量障碍,玻璃中就会析出铯铅卤化物钙钛矿量子点。本文重点介绍了热处理、激光、应力和水四种铯铅卤化物钙钛矿量子点从玻璃中析出的诱导因素,并分析了每种诱导因素的优缺点,最后提出了每种诱导因素相对适合的玻璃陶瓷和一些建议。     

铯铅卤化物钙钛矿量子点从玻璃中析出的诱导因素EI北大核心CSCD

铯铅卤化物(CsPb X 3,X=Cl,Br,I)钙钛矿量子点以其优异的光电性能(如可调的发射光谱、高色纯度和量子效率等)引起了研究者们的广泛关注,但较差的水稳定性、热稳定性和光稳定性等缺点极大地限制了其在光电器件中的应用。目前,提高铯铅卤化物钙钛矿量子点稳定性的一种有效方法是将Cs X和Pb X 2加入惰性玻璃陶瓷基质中,只要外界提供的能量可以克服成核和晶体生长的能量障碍,玻璃中就会析出铯铅卤化物钙钛矿量子点。本文重点介绍了热处理、激光、应力和水四种铯铅卤化物钙钛矿量子点从玻璃中析出的诱导因素,并分析了每种诱导因素的优缺点,最后提出了每种诱导因素相对适合的玻璃陶瓷和一些建议。     

CsPbX3(X=Cl,Br,I)钙钛矿量子点玻璃制备及其应用研究进展

近年来,全无机CsPbX_3(X=Cl, Br, I)钙钛矿量子点在光电领域取得了极大的进展,但在外界环境刺激下(如光、热以及潮湿空气)会变质分解失效,限制了它们的实际应用。通过将钙钛矿量子点原位生长在玻璃基质中,利用无机玻璃致密的网络结构实现对量子点的无缝包覆,将量子点与外界环境隔绝,从而可以有效地解决量子点的稳定性问题,使其在固态照明、背光显示与防伪等领域具有更加广阔的应用前景。本文综述了全无机CsPbX_3钙钛矿量子点玻璃的制备方法及其优异的特性,对近年来在各应用领域的进展进行了概述,以期为全无机CsPbX_3钙钛矿量子点荧光玻璃的发展应用提供思路和参考。     

环境友好型Cs_(3)MnBr_(5)材料的制备及发光性能EI北大核心CSCD

无机铅卤钙钛矿CsPbX_(3)(X=Cl,Br,I)由于具有荧光量子产率高、带隙可调、吸光系数高等优点,在发光器件和光伏器件领域有着广阔的应用前景。但由于重金属铅具有毒性,会对环境及生物造成危害,所以开发无铅钙钛矿及其衍生材料成为研究热点。而在众多材料中,钙钛矿衍生材料——金属卤化物具有种类多、结构类型多、发光性能优等优点。因此本文利用油酸还原法制备了钙钛矿衍生材料Cs_(3)MnBr_(5),该方法具有环境友好、能耗低、产物纯度高、可大批量生产等优点。Cs_(3)MnBr_(5)材料在近紫外激发下显示了明亮的绿色发光,峰值位于528 nm,半高宽43 nm,色坐标为(0.25,0.69),色纯度高达92%,荧光量子产率为64.69%,在LED照明领域和显示领域具有商业应用潜力。     

钙钛矿CsPbX3(X=Cl,Br,I)与五环石墨烯范德瓦耳斯异质结的界面相互作用和光电性能的第一性原理研究

异质结工程是一种提高半导体材料光电性能的有效方法.本文构建了全无机钙钛矿CsPbX₃(X=Cl,Br,I)和二维五环石墨烯penta-graphene(PG)的新型范德瓦耳斯(vdW)异质结,利用第一性原理研究了CsPbX₃-PG异质结不同界面接触的稳定性,进而计算了稳定性较好的Pb-X接触界面异质结的电子结构和光电性能.研究结果表明,CsPbX₃-PG(X=Cl,Br,I)异质结具有II型能带排列特征,能级差距由Cl向I逐渐缩小,具有良好的光生载流子分离能力和电荷输运性质.此外,研究发现CsPbX₃-PG异质结能有效拓宽材料的光吸收谱范围,并能显著提高其光吸收能力,尤其是CsPbI₃具有最优的光吸收性能.经理论估算,CsPbX₃-PG的光电功率转换效率(PCE)可高达21%.这些结果表明,全无机金属卤化物钙钛矿CsPbX₃-PG异质结可以有效地提高半导体材料的光电性能,预期在光电转换器件中具有重要的应用潜力.     

基于第一性原理的钙钛矿材料空位缺陷研究

为了获得优异的钙钛矿材料,本文系统地研究有机-无机杂化钙钛矿材料(CH3NH3PbI3)的电子结构和光学特性,同时探究了空位缺陷对其光学性质的影响。首先,采用Materials Studio软件构建本征钙钛矿材料的电子结构,并基于广义梯度近似的方法(GGA)和Perdew-Burker-Ernzerhof (PBE)泛函,优化其电子结构并计算本征钙钛矿材料的电学和光学特性。通过采用范德华力修正,解决了密度泛函理论低估带隙的问题,得到准确的带隙。其次,研究不同的空位缺陷(Pb空位和I空位缺陷)对钙钛矿材料的电子结构的影响,并计算其能带、态密度和光学性质。最后通过对比本征钙钛矿材料和空位缺陷的钙钛矿材料特性,从微观机理研究空位缺陷对其光学性质的影响。结果表明:本征钙钛矿材料带隙为1. 52 e V,这与实验测得的带隙值基本吻合;同时研究发现Pb空位缺陷会导致钙钛矿呈偏P型材料; I空位缺陷会导致钙钛矿呈偏N型材料。空位缺陷能够有效地改变钙钛矿材料的介电函数和光吸收谱,对于钙钛矿材料的研究及在光电器件领域的应用具有重要的理论价值。     

静水压对立方钙钛矿CsSnX3(X=I, Br, Cl)光电性质的第一性原理探究

全无机无铅卤化物钙钛矿已经成为重要的新一代太阳能电池材料.采用密度泛函理论的第一性原理研究了不同静水压下CsSnX₃(X=I, Br, Cl)材料的晶体结构,电子结构和光学性能,并分析了其内在联系.结果表明施加静水压可使材料中Sn-X键长减小,使原子之间的耦合增强,带隙值减小,且随着卤族元素半径的增大,压力效应越明显;随着压力的增加,材料的吸收系数和复折射率增大,吸收光谱出现红移现象,在可见光区和近红外光区吸收增强.相比CsSnBr₃和CsSnCl₃,CsSnI₃在可见光区吸收最佳且受压力作用影响最小,更适用于钙钛矿太阳能电池材料.     

Ba2+离子掺杂CsPbBr3蓝光量子点合成及其光学性能

近年来,全无机卤素钙钛矿CsPbX3(X=Cl,Br,I)因其荧光带宽窄、带隙可调、合成工艺简单以及荧光量子产率(Photoluminescence quantum yield,PLQY)高等优点而被应用于光电器件领域.但相比于PLQY接近于100％的红光与绿光CsPbX3量子点,PLQY低于10％的蓝光量子点光学性能...     

有机-无机杂化卤化物钙钛矿材料稳定性及其在光电探测器方面的研究进展(特邀)

有机-无机杂化钙钛矿材料(CH3NH3PbX3)因其具有载流子迁移率高、直接带隙结构、光电转换效率高等优异的光电性能,在太阳能电池、光电探测器、发光二极管及激光器等光电子领域具有重要应用前景.然而,有机-无机杂化钙钛矿材料的稳定性问题是现阶段限制其进一步应用的瓶颈.本文首先系统论述子外界环境因素(水氧、温度、光照等)对...     

石墨烯在钙钛矿太阳能电池中的应用

正近年来,基于有机-无机杂化钙钛矿材料的太阳能电池(简称钙钛矿太阳能电池,perovskite solar cells)因为具备优良的光电转换性能、成本低廉且易于规模化生产等特点,而在国际上备受关注。2009年CH3NH3Pb I3首次被用作染料敏化太阳能电池中的光吸收剂,获得了3.8%的光电转换效率,这掀起了钙钛矿太阳能电池的研究热潮。短短几年内,钙钛矿太阳能电池的光电效率得到迅速提升。最近美国国家能源部可再生能源实验室(NREL)认证的     

有机铵盐表面稳定化CsPbI_2Br全无机钙钛矿

有机-无机杂化钙钛矿中的有机阳离子组分具有在光照和加热条件下本征的化学不稳定性,而全无机钙钛矿有望从根本上解决组分稳定性问题.但是,全无机钙钛矿在湿度条件下,极易相变为非光学活性的d相.本文以CsPbI_2Br全无机钙钛矿为对象,研究不同碳链长度的有机铵盐表面处理对于钙钛矿湿稳定性和器件光电性能的影响.实验结果表明,有机铵盐碳链的增长显著改善钙钛矿相稳定性.其中,当用碘化丁铵处理时, CsPbI_2Br全无机钙钛矿表现出最佳的湿稳定性.随着碘化丁铵的处理浓度的增加,钙钛矿的湿稳定性进一步改善.当用适宜浓度的碘化丁铵处理CsPbI_2Br薄膜时,钙钛矿层表层的丁铵阳离子对电荷传输不会有明显阻碍,可以获得优良的器件效率.总之,适宜的有机阳离子层既能提高全无机钙钛矿的湿稳定性,又能改善其光伏性能.     

对钙钛矿CsPbX_3的X光波段外光电效应的研究

钙钛矿材料CsPbX_3作为新兴半导体材料,具有X光吸收系数高、制备工艺简单等优点,是一种优秀的X光光电探测材料.为了探索CsPbX_3在X光真空光电器件领域的应用前景,对其在X光波段的外光电效应进行了研究.制备了厚度为230 nm的CsPbI_2Br薄膜样品,并标定了其在2000—5500 eV的响应灵敏度和量子效率,响应灵敏度达到5.1 × 10~(-5) A/W以上,量子效率达到23%以上.采用Monte-Carlo方法对CsPbI_2Br的外光电效应灵敏度和量子效率进行了计算,计算数据与标定数据的一致性较好,表明Monte-Carlo方法适用于CsPbX_3在X光波段外光电效应的模拟.在此基础上计算了不同CsPbX_3钙钛矿材料在X光波段的响应灵敏度和量子效率,其计算值均接近于传统X光光电材料CsI,表明CsPbX_3是很有潜力的X光真空光电发射材料.进一步对CsPbX_3材料厚度与灵敏度的关系进行了研究,其结果显示为获得最佳灵敏度,CsPbX_3的厚度应不低于150 nm.     

双钙钛矿卤化物Cs2AgFeX6（X = Cl，Br，I）电子结构和光学性质的第一性原理研究

近年来,银卤化物双钙钛矿作为铅基杂化卤化物钙钛矿的潜在环保替代品得到了广泛的研究。最近实验上合成的新型无铅双钙钛矿单晶材料Cs2AgFeCl6是一种立方结构半导体,吸收光谱可拓宽至800 nm。本论文采用密度泛函理论的第一性原理方法,对Cs2AgFeX6（X = Cl,Br,I）的电子结构和光学性质进行研究,讨论了二者之间的内在关联,并分析了X位元素的改变对材料性质的影响。电荷密度计算结果显示,由Cl到I,Fe-X键逐渐减弱,即原子对电荷的束缚能力减弱。另一方面,三种材料的带隙宽度是逐渐减小的,Cs2AgFeCl6和Cs2AgFeBr6带隙分别为1.40 eV和0.91 eV,而Cs2AgFeI6则呈现金属性质。Cs2AgFeX6双钙钛矿的光谱特征峰随 X 位原子序数的增加明显红移,且在可见至红外光波段均有明显的光吸收：Cs2AgFeCl6在534 nm处的吸收系数达到21.28×104 cm-1,Cs2AgFeBr6在712 nm处的吸收系数为20.54×104 cm-1,而Cs2AgFeI6在1200 nm后的红外波段有一极宽的吸收峰,吸收系数可以达到10×104 cm-1。本论文为Cs2AgFeX6（X = Cl,Br,I）在光电子器件领域的广泛应用提供了理论指导。     

双壳层包覆Mn∶CsPbCl3纳米晶制备及潜指纹识别应用

全无机卤化铅铯钙钛矿纳米晶CsPbX₃(X=Cl,Br,I)因具有独特的光电特性,近年来在固体照明及显示、太阳能电池、阻变存储器等领域成为研究的热门之选。Mn²⁺是一种比Pb²⁺半径小的过渡金属离子,利用Mn²⁺掺杂CsPbCl₃钙钛矿纳米晶能够实现波长位于600 nm左右可见光区域的橘黄色发射,且能够部分替代钙钛矿纳米晶中的Pb²⁺,降低钙钛矿纳米晶的毒性。然而,Mn²⁺掺杂的卤化物钙钛矿纳米晶仍易受环境中水分子等的侵蚀而导致其荧光特性严重退化。本文采用一种利用四甲氧基硅烷(Tetramethoxysilane,TMOS)和聚甲基丙烯酸甲酯(Polymethyl methacrylate,PMMA)对Mn²⁺掺杂CsPbCl₃钙钛矿纳米晶进行双壳层的包覆方法,并分析了双壳层包覆法对钙钛矿纳米晶稳定性提升的机理。此外,还对比了双壳层包覆的Mn²⁺掺杂CsPbCl     

键合型有机/无机杂化材料加载条形波导电光调制器

相对于普通的有机/无机杂化材料,侧链键合型有机/无机杂化材料能提高生色团的掺杂浓度,避免出现结晶、相分离等现象,同时生色团极化有序性的弛豫因生色团运动受阻而降低,具有较高的热稳定性.本文采用溶胶凝胶法合成了一种性能优良、稳定的侧链键合型有机/无机杂化材料,并将这种材料应用于电光调制器的电光层,利用传统的半导体工艺,采用加载条形波导结构,成功制备了马赫-曾德尔(Mach-Zehnder,M-Z)型电光调制器.测试得到电光调制器在1 550 nm波长下10 kHz的响应信号,为键合型杂化材料应用于光电器件的进一步研究打下了基础.     

C、N、O掺杂CuBr和CuCl的电子结构和磁性的第一性原理研究

本文基于密度泛函理论(DFT)结合广义梯度近似(GGA),采用第一性原理的平面波赝势方法,探究非磁性sp元素(C、N和O)掺杂卤化物(Cu Cl和Cu Br)是否能诱导产生半金属铁磁性.通过计算体系总能量、能带、态密度和分态密度,分析了非磁性元素掺杂卤化物体系的电子结构和磁性;通过对材料加压,给出了体系铁磁性随压强变化的趋势并作了分析.最后计算显示,O和N掺杂能诱导Cu Cl产生稳定的半金属铁磁性,随着压强的增大Cu Cl0.75N0.25和Cu Cl0.75O0.25的铁磁性减弱最终发生磁相变由铁磁态(FM)转变为非铁磁态(NM).     

铯掺杂提升反梯度结构二维(CMA)2MA8Pb9I28钙钛矿薄膜及太阳电池的性能

相对于3D钙钛矿材料,二维(2D)有机-无机杂化钙钛矿材料具有更好的稳定性.然而由于载流子输运性差, 2D钙钛矿太阳电池效率较低.为了提高2D钙钛矿太阳电池的效率,制备了铯掺杂的具有反梯度结构的二维(CMA)₂MA₈Pb₉I₂₈薄膜.研究结果发现:CsI掺杂能够改善(CMA)₂MA₈Pb₉I₂₈薄膜的形貌、增加晶粒尺寸、降低缺陷态密度,并且提高了(CMA)₂MA₈Pb₉I₂₈钙钛矿薄膜的热稳定性.最后, CsI掺杂浓度为10%时制备(CMA)₂MA₈Pb₉I₂₈钙钛矿太阳电池效率最高,达到了14.67%,相对于未掺杂的电池效率(10.06%)提高了45.8%.