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.     

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.     

高压下低维有机-无机杂化钙钛矿MAPbI3纳米立方块带隙调控及光学性能的研究

低维有机-无机杂化钙钛矿材料由于其独特的光电性能而受到广泛关注。本文利用金刚石对顶砧装置对不同尺寸的CH_3NH_3PbI_3(MAPbI_3)纳米立方块进行了高压研究。并探索了尺寸效应对MAPbI_3纳米立方块在高压下的光学性能的影响规律。高压原位紫外-可见吸收和荧光光谱结果显示,两种不同尺寸的MAPbI_3纳米立方块的带隙和光学性能出现了不同的变化规律。其中,小尺寸MAPbI_3纳米立方块,在0.25 GPa以下,带隙随着压力的增加一直减小,而对于大尺寸纳米立方块的带隙,在0.67 GPa以下,随着压力的增加持续增加。原位高压拉曼的测量和分析表明,尺寸效应与八面体[PbI_6]~(4-)和有机阳离子CH_3NH_3~+间的相互作用有关。我们的研究结果为深入了解低维有机-无机杂化钙钛矿纳米晶的带隙调控和光学特性以及结构稳定性提供了研究依据,为提高有机-无机杂化钙钛矿电池的转化效率开辟了一种研究思路。     

金属卤化物钙钛矿纳米光电材料的研究进展

金属卤化物钙钛矿广泛应用于太阳能电池、发光二极管和纳米激光器等领域,引起了科学家们极大的兴趣.纳米材料由于具有量子约束和较强的各项异性,表现出与普通块体材料不同的光学和电学性质.金属卤化物钙钛矿纳米材料具有可调节带隙、高量子效率、强的光致发光、量子约束效应和长的载流子寿命等优点,并且其成本低、储量丰富、易于合成多种化合物,有很广阔的光电应用前景.但另一方面,钙钛矿由于表面存在陷阱缺陷状态以及晶体边界导致稳定性较差,环境中的水、氧气、紫外线和温度等因素会使其光电性能大幅度降低.本文介绍量子点、纳米线、纳米片钙钛矿纳米材料的合成与生长机制,并且讨论其新奇的光电性能及在各种光电设备中的应用.最后总结了钙钛矿材料新出现的挑战并讨论了下一代金属卤化物钙钛矿光电设备应用.     

氧化锌纳米棒形貌控制及其在钙钛矿太阳能电池中作为电子传输层的应用

在钙钛矿电池中, ZnO纳米棒的垂直性是影响器件效率的关键因素. AZO(ZnO:Al)玻璃作为一种廉价的透明导电衬底,由于与ZnO纳米棒无晶格失配,有望获得最佳垂直性.然而目前在大气环境下,以AZO为衬底、ZnO纳米棒为电子传输层的钙钛矿太阳能电池还鲜有报道.本文通过水热法制备ZnO纳米棒作为电子传输层,系统研究不同条件对ZnO纳米棒的形貌及结晶性能的调控规律,分析其微观生长机理.并在此基础上于大气环境下制备太阳能电池,将以AZO为衬底在大气条件下制备的钙钛矿光伏器件的最佳效率从目前文献报道的7.0%提高到9.63%.这对丰富钙钛矿电池的设计思路及进一步降低成本具有重要意义.     

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。     

全无机钙钛矿量子点的合成、性质及发光二极管应用进展

近年来,全无机铯铅卤素钙钛矿(CsPb X 3,X=Cl,Br,I)量子点由于其色纯度高、具有可调谐的发射波长(410~760 nm)、窄的半峰宽(12~42 nm)和较高的荧光量子产率(最高可达95%以上)以及可全溶液处理等优势而受到人们的高度关注,在显示和照明领域有着较为广阔的应用前景。本文首先介绍了近年来发展起来的全无机钙钛矿量子点的液相合成方法,如高温热注射法、一步反应法、阴离子交换法和过饱和重结晶法等;其次介绍了全无机钙钛矿量子点的形貌、尺寸和晶型调控及材料组分、反应温度和杂质离子对其发光性能的影响,进而总结了无铅全无机钙钛矿量子点的研究进展;然后介绍了全无机钙钛矿量子点在发光二极管方面的应用进展;最后概述了全无机钙钛矿量子点在未来发展中存在的挑战和机遇。     

强电负性配体诱导CsPbBr_3纳米晶蓝光出射

全无机钙钛矿纳米晶因其出色的光学性能(量子产率高、发射带宽窄、吸收截面大等)与简单便利的制备过程等特点受到了各国研究人员的极大关注.目前,制备的无机钙钛矿纳米晶主要集中在绿光和红光波段,蓝光无机钙钛矿纳米晶研究较少,且存在荧光量子效率低、稳定性差的问题,限制了其应用范围.选用强电负性2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸作为配体,采用热注入法制备无机钙钛矿纳米晶CsPbBr3,纳米晶呈片状,尺寸均一,结晶度好,荧光峰位于462nm,半高宽为20nm,荧光量子产率可达80%.通过测量CsPbBr_3纳米晶的时间分辨光致发光谱和瞬态吸收谱,研究了CsPbBr_3纳米晶产生蓝光的物理机理.该研究丰富了配体对于纳米晶相互作用的研究内容,极大地促进了无机钙钛矿纳米晶在光学器件中的应用.     

锰离子掺杂纯无机钙钛矿纳米晶及应用（英文）

胶体锰离子掺杂的纯无机钙钛矿纳米晶由于其优异的光电性质,使其作为一种新兴的荧光发射材料,被研究者们广泛研究。不仅如此,纯无机钙钛矿纳米晶的锰离子掺杂行为也揭示了由于掺杂过程和掺杂剂本身引起的新的光学性质。通过不同的合成方法和选择不同的锰前驱体可以实现不同的掺杂行为,以及由此引发不同的荧光性质。在高带隙钙钛矿主体中进行锰离子掺杂时,其中激发能量由钙钛矿主体转移到掺杂锰离子位点的d态,进而产生橙黄色d-d发射荧光。研究者们一直致力于理解锰离子掺杂过程并由此设计高效掺杂的纳米晶。这些锰离子掺杂的钙钛矿纳米晶由于具有独特的电子和光学特性使其在发光二极管和太阳能电池等应用中发挥了巨大的作用。结合之前的相关工作和进展,本综述重点总结了锰离子掺杂的纯无机钙钛矿纳米晶的合成方法、发光来源、发光机理和潜在应用的最新进展,并提出了未来潜在合理的研究方向。     

Bi_(3.15)Nd_(0.15)Ti_3O_(12)纳米棒的拉曼和紫外吸收光谱研究

以Bi(NO3)3.5H2O,Nd(NO3)3.6H2O和Ti(OC4H9)4为原料,加入聚乙烯醇(PVA-124),采用水热法在200℃经48 h合成了铋层状钙钛矿结构掺钕钛酸铋(Bi3.15Nd0.85Ti3O12,BNdT)纳米棒,纳米棒直径约10~200 nm,长度达十几微米。利用Raman散射研究了掺钕对钛酸铋晶格结构的影响。掺钕钛酸铋和钛酸铋的Raman光谱表明,Nd取代了类钙钛矿层中A位的Bi,掺Nd改善了BTO的对称性和减小了TiO6八面体的畸变。利用UV-vis光谱研究了BNdT纳米棒的光吸收特性,BNdT纳米棒存在A(400 nm),B(275 nm),C(210 nm),D(196 nm)四个吸收带,分别对应于电子从Bi3+的基态1S0到激发态3P1,3P2,1P1的跃迁和电子从阴离子团TiO6八面体到带正电的Bi3+离子的跃迁。BNdT的带隙为4.3 eV,大的带隙归因于纳米结构的量子尺寸效应。     

基于表面等离子体共振效应的荧光太阳集光器制备及其性能

金属纳米颗粒的表面等离子体共振效应能够对特定波长入射光的吸收或者散射增强,正因为其独特的光学性质,金属纳米颗粒被尝试应用于荧光太阳集光器.本文利用全无机钙钛矿CsPbBr3量子点、Au纳米颗粒和硫醇-烯聚合物制备荧光太阳集光器.研究发现,掺杂适量Au纳米颗粒可以通过表面等离子体共振效应提高全无机钙钛矿CsPbBr3量子...     

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。     

钡作为掺杂元素调控铅基钙钛矿材料的毒性和光电特性

近年来,有机-无机杂化卤化物钙钛矿材料(ABX_3)由于具有优异的光电性质,受到了材料、能源等领域的广泛关注.但是,卤化物钙钛矿存在两个明显阻碍其商业化应用的问题:热稳定性差和含有有毒的铅(Pb)元素.相比于有机-无机杂化卤化物钙钛矿,全无机卤化物钙钛矿通常拥有更好的热稳定性.同时,采用一些无毒的元素部分替代B位的Pb,可以在保持优异光电特性的同时减小材料的毒性.本文结合无序合金结构搜索方法和第一性原理计算,系统研究了Ba掺杂CsPbX_3 (X=Cl, Br, I)钙钛矿体系的热稳定性和光电特性.计算结果显示,只有在高Ba浓度时,可以在室温下形成无序固溶体.由于Ba和Pb的离子半径和电负性等物理化学性质存在显著差异,随着Ba掺杂浓度的增加,带隙和载流子有效质量都呈现上升趋势,且带隙具有很宽的调节范围.因此,我们预测高Ba掺杂浓度的CsPbX_3 (X=Cl, Br, I)钙钛矿体系在短波段(如紫外或近紫外光)发光二极管或辐射探测器等领域具有潜在的应用价值.     

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...     

边修饰GeS2纳米带的电子特性及调控效应

GeS₂单层已成功制备,为了进一步扩展其应用范围以及发现新的物理特性,我们构建扶手椅型GeS₂纳米带(AGeS₂NR)模型,并采用不同浓度的H或O原子进行边缘修饰,且对其结构稳定性、电子特性、载流子迁移率以及物理场调控效应进行深入研究.研究表明边修饰纳米带具有良好的能量与热稳定性.裸边纳米带是无磁半导体,而边修饰能改变AGeS₂NR的带隙,使其成为宽带隙或窄带隙半导体,或金属,这与边缘态消除或部分消除或产生杂化能带有关,所以边缘修饰调控扩展了纳米带在电子器件及光学器件领域的应用范围.此外,计算发现载流子迁移率对边缘修饰十分敏感,可以调节纳米带载流子迁移率(电子、空穴)的差异达到1个数量级,同时产生载流子极化达到1个数量级.研究还表明半导体性纳米带在较大的应变范围内具有保持电子相不变的鲁棒性,对于保持相关器件电子输运的稳定性是有益的.绝大部分半导体性纳米带在较高的外电场作用下,都具有保持半导体特性不变的稳定性,但带隙随电场增大而明显变小.总之,本研究为理解GeS₂纳米带特性并研发...     

高温高压方法合成碳包覆γ-Fe_2O_3纳米棒及其磁学性能

采用高温高压(HPHT)方法,以水热法制备的聚乙烯醇包覆FeOOH纳米棒为前驱体,合成了碳包覆γ-Fe2O3纳米棒.通过使用多种表征方法,研究了HPHT过程中合成温度对样品结构和形貌的影响,并对样品的生长机理进行了探讨.利用振动样品磁强计测量了样品的室温磁学性质.实验结果表明,反应温度为400?C,压强为1 GPa条件下制备的碳包覆γ-Fe2O3纳米棒具有较高的长径比(直径约为20 nm,长度约为150 nm),矫顽力可达到330 Oe(1 Oe=79.5775 A/m).该方法为制备具有核壳结构的一维纳米材料提供了新思路.     

全无机钙钛矿CsPbX3纳米晶的研究进展

全无机钙钛矿CsPbX3纳米晶具有发光波长可调、半高峰窄、器件制备简单、稳定性高等优点,被广泛应用于太阳能电池、发光二极管、激光器、光电探测器等领域。本文概述了该材料的国内外研究进展,首先介绍了CsPbX3纳米晶的分子结构、尺寸效应、发光特性和光催化特性,然后对其合成方法、稳定性及器件应用进行了重点阐述,最后对其存在的问题及未来的发展进行了总结和展望。     

半透明钙钛矿太阳能电池的技术关键EI北大核心CSCD

基于ABX3晶体结构材料的新型钙钛矿太阳能电池具有光电转换效率高、可溶液加工以及低温工艺兼容等优势。与此同时,利用钙钛矿材料合成方法简单、带隙可调以及膜厚和透过率可控等优点制备的半透明钙钛矿太阳能电池为薄膜光伏的发展带来了新的契机,在建筑集成光伏和叠层光伏等领域应用前景广阔。开发高效且高稳定的半透明钙钛矿太阳能电池已成为目前光伏领域的研究重点。本文系统综述了半透明钙钛矿太阳能电池的各功能层(钙钛矿光活性层、电荷传输层和电极)材料选择、光学特性调控、电学特性优化以及制备工艺调控等技术策略,同时提出了对半透明钙钛矿太阳能电池未来发展的一些展望。     

β-Ga_2O_3纳米材料的尺寸调控与光致发光特性

氧化镓(Ga_2O_3)纳米材料在紫外透明电极、高温气体传感器、日盲紫外探测器和功率器件等领域具有巨大的应用潜力,而实现高结晶质量和尺寸形貌可控的Ga_2O_3纳米材料是关键.本文通过水热法制备了不同尺寸的羟基氧化镓(GaOOH)纳米棒、纳米棒束和纺锤体,经后期高温煅烧均成功转变为高质量单晶_β-Ga_2O_3纳米材料并较好地保留了原始GaOOH的形态特征.利用X射线衍射(XRD)、拉曼散射光谱(Raman)和场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)等表征手段系统研究了前驱液的pH值大小和阴离子表面活性剂浓度对GaOOH和_β-Ga_2O_3纳米材料晶体结构和表面形貌的影响,并深入探讨了不同条件下GaOOH纳米材料的生长机制.此外,室温光致发光谱(PL)测试发现不同形貌的β-Ga_2O_3纳米材料均展现出典型的蓝绿色发射峰和尖锐的红光发射峰,与纳米材料中本征缺陷的存在密切相关.上述研究结果为未来实现高质量β-Ga_2O_3纳米材料的可控制备提供了有益参考.     

高压下有机-无机杂化钙钛矿CH_3NH_3PbI_3的结构及光学性质研究

近年来,随着有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池的飞速发展,对此类材料基本物性的探索引起了科学家们的广泛关注.本文利用金刚石对顶砧装置对甲胺基碘化铅(CH_3NH_3PbI_3)进行高压实验,研究了室温下压力诱导CH_3NH_3PbI_3的结构变化以及压力对其光学性质的调控,实验最高压力为7 GPa.原位高压同步辐射X射线衍射实验结果显示,CH_3NH_3PbI_3样品在0.3 GPa由四方相转变为正交相,在4 GPa左右开始非晶化.结合原位高压吸收和荧光光谱,分析了压力对CH_3NH_3PbI_3带隙大小的调控作用.进一步利用原位高压拉曼光谱和红外光谱实验研究了CH_3NH_3PbI_3晶体中有机阳离子(CH_3NH_3~+)在高压下的行为.完全卸压后,样品恢复到加压前的初始状态.研究结果可为深入了解有机-无机杂化钙钛矿的光学性质和结构稳定性提供一些信息.