新型金屬鹵化物鈣鈦礦材料及器件研究取得系列進(jìn)展
近年來，具有鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的金屬鹵化物作為一種新型直接帶隙離子型半導(dǎo)體材料在光電應(yīng)用領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注。特別地，具有可見光譜區(qū)帶隙連續(xù)可調(diào)、熒光單色性高（半高寬小于20nm）以及高熒光量子效率（PLQY>50%）的CsPbX3（X=Cl，Br，I）納米晶相比于傳統(tǒng)量子點(diǎn)材料在發(fā)光性能方面更具優(yōu)勢。普通金屬硫?qū)倩锬z體量子點(diǎn)（如CdSe NCs）需要非常小的尺寸（≤5 nm）才能在藍(lán)綠色光譜段發(fā)光，并且由于缺陷態(tài)的存在表現(xiàn)出相當(dāng)?shù)偷臒晒饬孔赢a(chǎn)率（PLQY≤50％），需要通過精細(xì)包覆具有更強(qiáng)化學(xué)穩(wěn)定性、更寬帶隙的的外延層（如CdS）來提升其PLQY。CsPbX3納米晶由于其高效的光致發(fā)光性能和高色純度（<20 nm的發(fā)射線寬），激發(fā)了其作為發(fā)光二極管（LED）中發(fā)光層的應(yīng)用研究，但其電致發(fā)光效率還有待提升。
近日，我院姚宏斌教授、張群教授和南京理工大學(xué)曾海波教授合作在J. Am. Chem. Soc.發(fā)表了題為Ce3+-Doping to Modulate Photoluminescence Kinetics for Efficient CsPbBr3 Nanocrystals Based Light-Emitting Diodes的論文（J. Am. Chem. Soc. 2018, 140, 3626−3634），報(bào)道了通過簡單的熱注入法摻雜Ce3+離子來提高CsPbBr3納米晶的光/電致發(fā)光效率的研究工作（圖1）。CsPbBr3納米晶的光譜表征結(jié)果顯示隨著Ce3+摻雜量的增加，納米晶的熒光量子產(chǎn)率得到了顯著提升。同時(shí)利用超快吸收光譜和熒光壽命分析，進(jìn)一步證明了Ce3+摻雜可以有效調(diào)控CsPbBr3納米晶的光譜動力學(xué)：Ce3+摻雜導(dǎo)致在CsPbBr3導(dǎo)帶底引入一個(gè)帶邊態(tài)，提供了更多的輻射復(fù)合通道，加快了納米晶中電子-空穴復(fù)合動力學(xué)，因而顯著提升CsPbBr3納米晶的熒光量子效率。同時(shí)，采用Ce3+摻雜的CsPbBr3納米晶作為發(fā)光層制備的新型發(fā)光二極管器件，與未摻雜的CsPbBr3納米晶相比，器件的電致發(fā)光外量子效率從1.6%提高到了4.4%。研究結(jié)果表明鑭系元素離子摻雜到金屬鹵化物鈣鈦礦納米晶中可以進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)對這類新型半導(dǎo)體納米晶性能的多樣化調(diào)控。該論文的共同第一作者是碩士生姚紀(jì)松，博士后葛晶和南京理工大學(xué)的韓博寧。
自2015年入職科大以來，姚宏斌教授課題組從探究尺寸限域的金屬鹵化物鈣鈦礦納米材料的可控合成方法出發(fā)，發(fā)展了反溶劑沉淀法和高溫油相法合成了一系列新型金屬鹵化物鈣鈦礦納米材料，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了離子摻雜金屬鹵化物鈣鈦礦納米晶的制備。利用簡單的溶液沉積法，該課題組制備了具有高熒光效率的類鈣鈦礦層狀結(jié)構(gòu)CsPb2Br5納米片，為研究二維金屬鹵化物鈣鈦礦材料的新型光學(xué)性質(zhì)提供了材料基礎(chǔ)（Angew. Chem. Int. Ed.2016, 55, 8328）。同時(shí)，利用金屬鹵化物鈣鈦礦的離子晶體特性，通過在合成的CsPbBr3納米方塊中加入橋連絡(luò)合物十二烷基胺-溴化金（DDA-AuBr3）實(shí)現(xiàn)了CsPbBr3納米方塊在三維方向上的組裝（Langmuir 2018, 34, 595）。進(jìn)一步，通過溶液沉積法得到有機(jī)-無機(jī)雜化鈣鈦礦(C4H9NH3)2PbBr4一維納米帶，這是首次報(bào)道由簡單沉積法大量合成一維(C4H9NH3)2PbBr4納米帶。基于該材料的一維結(jié)構(gòu)在電子-空穴分離方面的優(yōu)勢，構(gòu)建了柔性光電探測器，器件表現(xiàn)出響應(yīng)電流高、開關(guān)比大等優(yōu)異性能（Adv. Optical Mater. 2018, 6, 1701029）。
圖1. Ce3+摻雜對CsPbBr3納米晶發(fā)光動力學(xué)調(diào)制提升其電致發(fā)光性能
以上研究工作得到了科技部重點(diǎn)專項(xiàng)、國家自然科學(xué)基金、校啟動基金等項(xiàng)目的資助。
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