铅卤钙钛矿纳米材料合成及光电应用研究

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铅卤钙钛矿纳米晶作为一种新型的发光材料,拥有着可调的发射光谱、窄的半峰宽、高的荧光量子产率、高的缺陷容忍度、及合成工艺简单等优点,使其非常适合应用于荧光太阳能聚光器和液晶显示器等领域。但因其离子特性,遇到光、热、水、氧就会分解,无疑就限制了其实际应用。因此,寻找一种能够提高铅卤钙钛矿纳米晶的稳定性,同时还能保持其优异光学性能的策略是非常有意义的。本论文主要通过优化合成路线,配体交换,聚合物封装等三个策略来提高钙钛矿纳米晶的荧光量子产率和对光、热、水、氧的耐受性,从而实现在荧光太阳能聚光器和显示器上的应用。具体包括以下三个内容:(1)采用一种多功能分子三苯基膦(TPP)的后处理策略,制备出具有高绝对光致发光量子产率(PLQY),低重吸收和高稳定性的近红外发射CsPbI_3纳米晶体聚合物复合薄膜荧光太阳能聚光器。制备的薄膜荧光太阳能聚光器的荧光发射峰位置在700nm处,PLQY为99.4±0.4%,半峰宽(FWHM)仅有75meV(30nm)。与未处理的CsPbI_3纳米晶聚合物复合薄膜相比,TPP处理的纳米晶聚合物薄膜的水稳定和光稳定性得到了极大的改善。在水中浸泡30天或者强汞灯照射(50mW·?cm~(-2))100小时,仍然能保持其良好的光学性能,这主要归因于TPP强配位能力和除氧能力。此外,TPP因为磷原子上的孤对电子也可以作为光引发剂,制备的纳米晶聚合物薄膜与常见的光引发剂制备的薄膜相比,具有更高的荧光量子效率和光稳定性。此外,通过刮刀涂布法实现了大尺寸(约75cm~2)近红外发射荧光太阳能聚光器的制备,在几何光聚系数为10时,光学转化效率可以达到3.1%。(2)利用可聚合的甲基丙烯酸月桂酯(LMA)单体作为溶剂高温热注射法合成绿光发射的CsPbBr_3钙钛矿纳米晶。然后,将制备的纳米晶母液直接与低聚物、引发剂混合,通过紫外光聚合原位制备出CsPbBr_3纳米晶聚合物复合薄膜。与经典热注射法(十八烯作为溶剂)相比,LMA做溶剂制备的纳米晶不需要分离纯化,直接参与光聚合,且制备的纳米晶聚合物薄膜表现出较高的荧光量子产率(85%-90%)和增强的光稳定性。而采用经典方法制备的纳米晶聚合物薄膜的PLQY仅有54%。此外,LMA作为溶剂制备的纳米晶聚合物薄膜的具有较好的耐水性和耐热性,在50℃水中浸泡200小时,峰形和荧光量子产率没有明显的变化。最后将所制备的稳定而明亮的绿光发射的纳米晶聚合物薄膜、红光发射的K_2SiF_6:Mn~(4 )(KSF)荧光粉与液晶背光单元中蓝光LED的组合即完成广色域的原型背光显示器件的构建,其能够覆盖国际照明委员会(CIE)1931颜色空间的115%,这优于传统的镉基量子点显示器件。(3)采用水相容性较好的聚乙烯吡咯烷酮PVP作为配体,室温条件下直接水相合成FAPbBr_3钙钛矿纳米晶,该合成路线不需要惰性气体保护。通过优化反应条件制备出了高质量的FAPbBr_3钙钛矿纳米晶。制备的钙钛矿纳米晶在紫外灯照射下发射出明亮的绿光,发射峰位置在542nm,窄半峰宽18nm,斯托克斯位移为11nm,荧光量子产率可以达到93.3%。最后,我们构建的FAPbBr_3钙钛矿纳米晶基荧光离子探针对Cu~(2 )检测表现出较高的灵敏性和较好的选择性。
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