圖1.CsPbCl3, CsPbBr1.5Cl1.5, CsPbBr3, CsPbI1.5Br1.5和CsPbI3鈣鈦礦量子點的立方晶胞結構示意圖 (a) , XRD光譜 (b) 和EDS能譜 (c) . CsPbBr3鈣鈦礦量子點的FESEM照片 (d) , 右上角為其TEM照片結果.
圖2.歸一化的CsPbCl3, CsPbBr1Cl2, CsPbBr1.5Cl1.5, CsPbBr2Cl1, CsPbBr3, CsPbI1Br2, CsPbI1.5Br1.5, CsPbI2Br1和CsPbI3鈣鈦礦量子點的吸收 (a) 和熒光發射光譜 (b) .
近日, 中國科學院長春光學精密機械與物理研究所副研究員曾慶輝課題組, 提出一種新的簡單易行的操作方法合成了不同鹵素摻雜的全可見光譜區高性能CsPbX3 (X=Cl, Br, I) 鈣鈦礦量子點, 所製備的鈣鈦礦量子點熒光量子效率最高可達95% (是目前國際上報道的鈣鈦礦量子點樣品的最高值) , 半峰寬最窄可以達到9nm (是目前國際上報道的量子點樣品的最小值) , 穩定性得到顯著提高, 該工作對鈣鈦礦量子點的製備及其在光電器件領域的應用具有重要意義. 研究成果發表在ACS Applied Materials & Interfaces上.
量子點, 又稱為半導體納米晶, 由於其優異的光學性能 (如激發譜線寬, 發射譜線窄, 熒光效率高, 量子尺寸效應等) , 在生物醫學, LED和太陽能電池等光電領域得到廣泛的應用研究, 熒光效率和穩定性越高, 半峰寬越窄 (單色性越好) , 量子點在這些領域的應用前景就會越廣闊. 近年, 鹵素摻雜CsPbX3 (X=Cl, Br, I) 鈣鈦礦量子點 (PQDs) 由於其具有較高的熒光量子產率, 窄的熒光發射光譜和熒光顏色隨鹵素摻雜不同可調等優異的光學性能, 進一步受到科研工作者的關注. 迄今為止, CsPbX3鈣鈦礦量子點的穩定性依然是亟待解決的科學難題. 糾其原因主要是傳統的CsPbX3鈣鈦礦量子點, 尤其是混合鹵素的CsPbX3鈣鈦礦量子點的製備多數是在較低溫度 (40℃) 下通過陰離子交換技術來完成, 這種陰離子交換過程往往導致熒光效率和穩定性的降低.
研究人員的工作, 旨在提高CsPbX3 (X=Cl, Br, I) 鈣鈦礦量子點的熒光效率和穩定性. 與之前報道的在40℃下通過陰離子交換技術獲得的CsPbX3鈣鈦礦量子點不同, 研究人員通過熱注入技術直接在高溫條件下 (~ 180℃) 合成單一或者混合鹵素CsPbX3鈣鈦礦量子點. 通過曾慶輝等研究人員的合成方法, 表面配體可以更有效地配位到鈣鈦礦量子點的表面上, 從而有利於改善其光學性能, 提高其穩定性. 實驗過程中, 研究人員使用相對綠色安全的油酸 (OA) /油胺 (OAm) 雙配體來代替傳統的具有較高毒性的OA/OAm/TOP多配體混合物來合成CsPbX3鈣鈦礦量子點. 與先前的需要抽真空和手套箱設備的嚴格的合成方法相比, 他們提供了僅需要氬氣惰性氣體保護的簡便方法; 通過對反應溫度, 配體比例, 反應時間和不同鹵素原子比例等條件的精確控制以及熱注入技術, 研究人員製備出了一系列高性能的單一和混合鹵素CsPbX3 (X=Cl, Br, I) 鈣鈦礦量子點.
通過曾慶輝等研究人員的方法製備的CsPbX3 (X=Cl, Br, I) 鈣鈦礦量子點具有較高的熒光量子產率 (40-95%, 最高值可以達到95% , 是目前報道的溶液CsPbX3鈣鈦礦量子點樣品熒光量子產率的最高值) , 較窄的半峰寬 (9-35nm, 最窄的半峰寬值為9nm, 是目前報道的溶液量子點樣品半峰寬的最小值) , 以及較高的光穩定性, 發射光譜峰位隨著鹵素摻雜元素的不同在可見光譜區域中連續可調 (408-694nm) , 這將有利於CsPbX3鈣鈦礦量子點在諸如LED和太陽能電池等光電器件中得到廣泛應用. 此外, 研究人員用1×1×2超晶胞構建了混合鹵素CsPbX3鈣鈦礦量子點的晶體模型, 計算了其能帶結構, 並將帶隙與熒光發射光譜中的峰位進行比較, 理論上的直接帶隙與實驗結果吻合良好. 該研究工作使CsPbX3 (X=Cl, Br, I) 鈣鈦礦量子點在光電器件等方面顯示出潛力, 具有廣闊的發展前景.
該研究工作得到了吉林省科技發展計劃項目, 中科院青促會, 國家自然科學基金項目的支援.
