CsPbBr_(3)晶体生长及变温霍尔效应研究

以定向凝固法提纯的CsPbBr_(3)多晶为原料,采用垂直布里奇曼法生长出尺寸为∅30 mm×70 mm的CsPbBr_(3)单晶。采用ICP-OES对提纯后的多晶测试表明,提纯后的CsPbBr_(3)多晶中杂质含量减少了28.7%。经XRD和EDS对切割得到的晶片分析发现,晶片的晶面方向属{210}晶面族,晶体中Cs、Pb、Br_(3)种元素分布均匀,原子百分含量符合化学计量比。采用傅里叶红外光谱仪和紫外-可见分光光度计对晶体的透过率测试显示,生长晶体在500~4000 cm^(-1)波数范围内的红外透过率超过75%,紫外短波截止边为552 nm,拟合计算出对应的禁带宽度为2.246 eV。选取7个不同温度点对CsPbBr_(3)单晶进行变温霍尔效应测试发现,生长晶体为P型导电,在250~300 K和300~350 K之间晶体中主要的载流子散射机制分别为声学波散射和电离杂质散射,在150~250 K温度范围内,更符合多种散射机构共同作用的散射机制。进一步拟合载流子浓度p与1/T的关系,计算获得晶体中杂质电离能ΔE_(A)=0.3042 eV。

Pb^(2+)对掺杂硼硅酸盐玻璃中CsPbBr_(3)钙钛矿量子点发光性能的影响

硼硅酸盐玻璃包覆钙钛矿CsPbBr_(3)量子点(PQDs@glass)能够大幅提高PQDs的稳定性,使其在LED照明和显示技术中拥有广泛的应用空间。然而,玻璃包覆的同时也导致了PQDs发光强度与量子产率降低。本工作为提高其发光强度探讨了热诱导温度及Pb^(2+)的含量对PQDs@glass结构的影响,当热诱导温度为460℃,Pb^(2+)浓度为6 mol时,其发光强度最高。研究发现,Pb^(2+)浓度的增加会导致玻璃网状结构的致密化,改变玻璃组分的扩散行为,影响PQDs的析晶过程,导致PQDs@glass发光强度的变化。本工作得到量子产率高达95.6%的PQDs@glass,并实现了硼硅酸盐玻璃基质内PQDs的尺寸可控制备。结果表明,PQDs尺寸分布在10 nm左右,超过86%的颗粒尺寸在6~14 nm内,且具有优越的稳定性,经历10次室温至200℃热循环后,发光强度仍能保持初始强度的98.9%。最后,为了验证其在LED照明及显示领域的应用,将制备的量子点微晶玻璃粉料与二甲基硅氧烷(PDMS)混合,得到的LED器件性能优异,色域范围覆盖110%sRGB。本研究为PQDs@glass的大规模制备及其在LED器件领域的应用奠定了基础。

Ge/Sn合金化对CsPbBr_(3)钙钛矿热载流子弛豫影响的非绝热分子动力学研究

铯基全无机钙钛矿CsPbBr_(3)具有良好的热稳定性,在应用中表现出优越的发光特性,是近年来光电领域的明星材料.CsPbBr_(3)界面的光生载流子过程与其光电性能密切相关.本文采用非绝热分子动力学方法结合含时密度泛函理论,对CsPbBr_(3)及其合金化结构的激发态动力学过程进行了系统研究.研究结果表明,Sn/Ge合金化能够有效缩短退相干时间,减缓电子-空穴复合.CsPb_(0.75)Ge_(0.25)Br_(3)体系的载流子寿命延长至1.6倍,而CsPb_(0.5)Ge_(0.25)Sn_(0.25)Br_(3)体系的载流子寿命延长为原始体系的4.2倍.证明了B位(钙钛矿结构ABX_(3)中的B位)金属阳离子的双原子合金化对CsPbBr_(3)的非辐射电子-空穴复合具有很强的影响.本研究提供了一种能够有效延长钙钛矿载流子寿命,合理优化太阳能电池性能的合金化方案,为未来钙钛矿太阳能电池材料的设计提供了思路.

不同核壳结构的CsPbBr_(3)纳米晶体的稳定性、生物相容性能

CsPbBr_(3)钙钛矿纳米晶体(PNC)由于出色的光学性能使其在生物领域具有广泛的应用前景,但CsPbBr_(3)PNC的低稳定性及高毒性大大限制了其实际应用。因此,通过壳层包裹,采用室温重结晶法分别将环糊精(CD)和SiO_(2)包覆在CsPbBr_(3)PNC表面合成核壳结构的CsPbBr_(3)@CD和CsPbBr_(3)@SiO_(2)。不同的包覆材料使PNC具有不同的光学特性、稳定性及生物相容性。其中,CsPbBr_(3)@SiO_(2)的荧光量子产率(36.16%)约为CsPbBr_(3)@CD(14.39%)的2.5倍。CsPbBr_(3)@SiO_(2)的平均荧光衰减寿命(101.43 ns)约为CsPbBr_(3)@CD(68.73 ns)的1.5倍。在30℃、湿度为60%的空气中放置10天后,CsPbBr_(3)@SiO_(2)荧光强度约为CsPbBr_(3)@CD的3.9倍。将CsPbBr_(3)@CD和CsPbBr_(3)@SiO_(2)与细胞共培养,细胞存活率分别为51.27%和88.57%。结果表明,相较于CsPbBr_(3)@CD,CsPbBr_(3)@SiO_(2)具有更好的光学特性、稳定性以及生物相容性,更有利于在生物医学领域应用。

2-己基癸酸改性的全溶液制备的CsPbBr_(3)量子点发光二极管

钙钛矿量子点发光二极管是极具发展潜力的新型显示技术。全无机CsPbX3(X=Cl,Br,I)钙钛矿量子点具有优异的光电性能,然而合成CsPbX3量子点时往往需要油酸(OA)和油胺(OAm)等配体的参与,这些配体和量子点之间的动态结合方式使其极易从量子点表面脱落,进而引发量子点的不稳定性现象。此外,油酸油胺的绝缘特性会阻碍发光二极管中载流子的传输并恶化器件性能。鉴于此,本文以CsPbBr_(3)量子点为研究对象,采用短链配体2-己基癸酸(DA)部分取代长链OA配体,系统探究了不同DA/OA摩尔比对CsPbBr_(3)量子点光学性能的影响。结果表明,经DA修饰的CsPbBr_(3)量子点表现出高达88.64%的光致发光量子产率。随后,将优化后的CsPbBr_(3)量子点应用到全溶液制备的发光二极管中,器件的最高亮度和最大外量子效率分别从9 cd·m^(-2)和0.04%提升至155 cd·m^(-2)和0.14%。接着,通过优化钙钛矿发光层和空穴传输层之间的能级匹配,进一步将器件的亮度和外量子效率提升至436 cd·m^(-2)和0.20%。

反溶剂对CsPbBr_(3)太阳电池性能的影响

分别在钙钛矿前驱体中添加一系列的反溶剂乙酸乙酯(EA)和乙腈(ACN),制备出不同形貌的CsPbBr_(3)薄膜,探究薄膜质量与太阳电池性能的内在联系。结果表明,在大气制备环境中,反溶剂有助于CsPbBr_(3)晶粒的生长,薄膜表面缺陷明显减少,太阳电池各性能参数(短路电流密度、开路电压以及填充因子)均有所提升,尤其是添加乙腈(V(PbBr_(2)/DMF)∶V(ACN)=10∶1)后,光电转换效率(PCE)从3.16%提高到7.10%。

Lu^(3+)掺杂Na_(5)Y_(9)F_(32)∶Ho^(3+)/Yb^(3+)/Ce^(3+)单晶体的增强红色上转换发光与光学温度传感性能

采用密封的坩埚下降法技术生长了一系列Lu^(3+)(摩尔分数0、0.6%、1.2%、1.8%)掺杂Na_(5)Y_(9)F_(32)∶Ho^(3+)/Yb^(3+)/Ce^(3+)单晶体。在980 nm LD激发下,观察到单晶体的绿光543 nm(^(5)S_(2)/^(5)F_(4)→^(5)I_(8))、红光656 nm(^(5)F_(5)→^(5)I_(8))以及近红外750 nm(^(5)S_(2)/^(5)F4→^(5)I_(7))上转换发光。从上转换发光强度随激发光强度的变化情况,确定了543 nm、656 nm与750 nm的发光为双光子跃迁过程。研究了Lu^(3+)离子掺杂浓度对其发光强度与荧光寿命的影响情况,随着Lu^(3+)掺杂浓度从0增加到1.8%,单晶体中的656 nm红光逐步增强,543 nm绿光与750 nm近红外光随之减弱,红绿光强度比从0.01增加到了1.55,而543 nm荧光寿命从1.29 ms降低至0.99 ms。Lu^(3+)离子的掺入取代Y^(3+)晶格位,改变了单晶体的局域场环境,导致上转换发光强度的变化。基于随温度变化的上转换红光656 nm(^(5)F5→^(5)I8)与绿光543 nm(^(5)S_(2)/^(5)F4→^(5)I8)的发光强度变化,研究了1.8%Lu^(3+)掺杂Na_(5)Y_(9)F_(32)∶Ho^(3+)/Yb^(3+)/Ce^(3+)单晶体在298~448 K范围内的绝对灵敏度和相对灵敏度最大值分别为0.242%·K^(-1)和0.217%·K^(-1)。

Fe-3%Si大尺寸合金单晶的制备及磁感系数的计算

以取向Fe-3%Si合金热轧板为原材料,采用二次再结晶法制备了尺寸大于200 mm的合金单晶。随机选取3个单晶样品剪切成7个与轧向成不同角度、尺寸为50 mm×50 mm的样品,分别对所选样品进行单晶定向,并对每个样品的横、纵向磁性能进行了测量。以单晶定向结果为依据,计算每个单晶在晶体学坐标架下的极角和辐角,提出了一种单晶磁感系数的计算方法,并基于该方法以单晶磁性能实测值及其在晶体学坐标架下的极角和辐角为输入条件,测算了Fe-3%Si合金单晶磁感应强度系数并验证了其可靠性。采用该方法对{110}晶面平行于板面的任意方向单晶的磁感应强度进行了计算,为开展多晶材料磁性能计算提供了理论依据。

电纺丝制备磁性单晶BiFeO_(3)纳米纤维并用于Cr(VI)的可见光催化还原

本工作提出一种将溶胶凝胶与静电纺丝结合的分步快速烧结技术,成功制备了单晶BiFeO_(3)纳米纤维。通过热重差热分析(TG-DTG)、XRD、SEM、TEM、EDS、紫外可见漫反射光谱和氮气吸附脱附曲线等测试对所制备材料的结构和形貌进行表征。同时,考察了BiFeO_(3)纳米纤维在可见光下对水中Cr(VI)的光催化还原性能。结果显示,相比于传统方式制备的纳米颗粒,该材料因更大的比表面积而具有更高的光催化活性。空穴消耗剂酒石酸的加入能够促进该材料对Cr(VI)的光催化还原反应,使还原效率提高87%。总之,本文制备的BiFeO_(3)材料能在可见光下响应,并在常温下具有弱磁性,能通过磁场力回收,在环境净化领域具有广阔的应用前景。

溶液法生长大尺寸CsCu_(2)I_(3)钙钛矿单晶及其光学性能研究

近年来,铜基钙钛矿因其出色的稳定性和环境友好性在发光和闪烁等领域受到了广泛关注。然而,目前对CsCu_(2)I_(3)晶体材料的研究主要集中在0维和1维领域,这限制了人们对材料本征性质和各向异性的深入理解,也限制了其在闪烁体中的实际应用。本文通过溶液降温法开展了CsCu_(2)I_(3)体块单晶的生长工艺研究,成功得到了长度达5 mm的高质量CsCu_(2)I_(3)单晶,该晶体无色透明、棱角分明、显露面完整。XRD测试结果表明,CsCu_(2)I_(3)晶体在经过6个月后依然保持了良好的稳定性;吸收光谱显示该晶体在310 nm波段具有明显的吸收峰,计算得到其禁带宽度为3.42 eV,表明CsCu_(2)I_(3)晶体属于宽禁带半导体;发射光谱显示该晶体发射波长位于580 nm处,半峰全宽为75 nm,绘制CIE色度图得到其发光色度坐标为(0.47,0.50),位于黄光区域,属于暖白色调(色温3000 K),这与该晶体在紫外灯照射下发出黄色荧光的现象一致;CsCu_(2)I_(3)晶体的荧光寿命测得为51.6和215.5 ns。

CsPbBr_(3)纳米晶电子辐照效应研究

钙钛矿材料具有优异的光学性能和较高的载流子迁移率,成为空间太阳能电池领域极具竞争力的材料。然而空间粒子辐照容易改变材料结构和光学性能,导致其性能下降。为了探究电子辐照对CsPbBr_(3)材料结构与光学特性的影响规律,本文开展了CsPbBr_(3)材料电子辐照实验,利用高分辨透射电子显微镜表征CsPbBr_(3)纳米晶微观形貌,并通过X射线衍射分析和X射线光电子能谱分析进一步探究晶体结构的变化趋势。研究发现:电子辐照后CsPbBr_(3)纳米晶形貌变得粗糙,尺寸明显减小,并且纳米晶在高剂量电子辐照下变得紧凑,形成纳米团簇。其次,通过稳态紫外-可见吸收光谱图与光致发光谱图表征CsPbBr_(3)材料的光学性能,并利用第一性原理计算分析辐照后晶格膨胀带来的带隙变化。研究证明电子辐照后纳米晶颜色加深,影响钙钛矿的透光率,进而增强了样品对光的吸收性能,同时电子辐照能够分解CsPbBr_(3)纳米晶,特别是高剂量辐照后其光致发光性能降低了53.7%~78.6%。本文研究结果为钙钛矿纳米晶空间辐射损伤机理及应用研究提供了数据支撑。

Fe_(3)O_(4)/Au单晶异质结的磁各向异性研究

基于铁磁/重金属异质结结构的纯自旋流电子器件具有低功耗、非易失性等优点,是当前自旋电子学研究的核心内容。该文利用超导量子干涉仪以及铁磁共振测量系统等手段,对分子束外延法生长的铁磁/重金属异质结Fe_(3)O_(4)/Au单晶薄膜的静态及动态磁性能进行了系统研究。研究表明,随薄膜厚度的增加,Fe_(3)O_(4)的单轴磁各向异性逐渐减小而磁晶各向异性逐渐增强。Au覆盖层的引入有助于单晶超薄膜的晶格弛豫,进而有效增强了Fe_(3)O_(4)的磁各向异性。该研究为铁磁/重金属异质结的构建提供了新的思路,有望推动其在纯自旋流电子器件中的实用化进程。

配体调控CsPbBr_(3)/Cs_(4)PbBr_(6)复合薄膜的合成、发光性能及白光LED应用

全无机CsPbX_(3)(X=Cl,Br,I)钙钛矿纳米晶(PNCs)的合成通常需要高温条件和惰性气体的参与,严重阻碍了其实际应用。本文首先利用2-甲基咪唑配体调控再结晶的方法在室温下成功地制备出具有优异发光性能的双相CsPbBr_(3)/Cs_(4)PbBr_(6)PNCs,然后与多种聚合物结合制备出纳米晶复合薄膜。通过X射线粉末衍射(XRD)、透射电子显微镜(TEM)和紫外-可见吸收光谱等测试,证明了聚合物中的双相钙钛矿结构,筛选出综合性能优异的CsPbBr_(3)/Cs_(4)PbBr_(6)@PDMS和CsPbBr_(3)/Cs_(4)PbBr_(6)@EVA复合薄膜,并进行了发光二极管(LED)器件封装。通过Cs4PbBr6 PNCs和聚合物的双重保护,CsPbBr_(3)/Cs_(4)PbBr_(6)@PDMS显示出超过80%的荧光量子产率(PLQY),CsPbBr_(3)/Cs_(4)PbBr_(6)@EVA的水稳定性和空气稳定性得到了显著提高。最后,将CsPbBr_(3)/Cs_(4)PbBr_(6)@EVA复合薄膜成功应用于白光LED器件,其CIE色度坐标为(0.331,0.332),具有标准白光发射。

基于全无机CsPbBr_(3)钙钛矿太阳能电池的光电性能研究

钙钛矿太阳能电池具有制作工艺简单和光电转换效率高等优点,成为光伏领域研究的热点。而全无机钙钛矿太阳能材料CsPbBr_(3)具有较强的稳定性,是具有竞争力的钙钛矿光吸收材料。主要利用SCAPS-1D软件构建了FTO/TiO_(2)/CsPbBr_(3)/Cu2ZnSnS4(CZTS)/Ag平面异质结结构。研究了全无机钙钛矿材料CsPbBr_(3)厚度和带隙对钙钛矿太阳能电池的影响。

简便合成相可调的CsPbBr_(3)-Cs_(4)PbBr_(6)复合纳米晶及相转变过程的原位研究

通过改变四正辛基溴化铵(TOABr)用量和Cs/Pb摩尔比,在室温下采用一步单溶剂法成功制备出单斜相CsPbBr_(3)和六方相Cs_(4)PbBr_(6)两种相结构可调的钙钛矿纳米晶.研究发现,当TOABr浓度较低时(Cs/Pb/Br=1∶1∶4),体系中主要生成了单斜相的CsPbBr_(3)纳米立方块,该立方块主要经历了快速成核、尺寸分布聚焦生长和Ostwald熟化生长3个阶段,最终尺寸为(11.8±1.6)nm.随着TOABr用量的增加,Br^(-)与Pb^(2+)结合形成[PbBr_(3)]^(-)和少量的[PbBr_(4)]^(2-)络合物,两种络合物相互竞争.在成核期和生长早期体系中[PbBr_(3)]^(-)占主导,因而形成大量的CsPbBr_(3)纳米晶,随着反应的进行,体系中过量的Br^(-)会与纳米晶中的Pb相互作用,导致CsPbBr_(3)纳米晶部分转变为具有六边形形状的Cs_(4)PbBr_(6)纳米晶,同时[PbBr_(4)]^(2-)络合物的存在使得Cs_(4)PbBr_(6)纳米晶继续长大,最终形成以CsPbBr_(3)为发光中心的CsPbBr_(3)-Cs_(4)PbBr_(6)复合纳米晶.只有当TOABr用量为0.32 mmol时所得的CsPbBr_(3)-Cs_(4)PbBr_(6)复合纳米晶其光学性能和稳定性表现最佳.在此浓度下改变Cs/Pb摩尔比只影响CsPbBr_(3)纳米晶和Cs_(4)PbBr_(6)纳米晶在体系中的相对含量,当Cs_(4)PbBr_(6)纳米晶含量较高时其荧光强度和稳定性相对较差.该工作对低温可控合成高效稳定的铯铅卤钙钛矿纳米晶提供一定思路.

金膜上CsPbBr_(3)纳米晶超晶格增强双光子发射特性研究

钙钛矿微纳结构双光子荧光在高分辨成像、光电转换等领域应用广泛,其中增强双光子荧光发射强度是提高器件性能的关键。与电介质基底相比,置于贵金属薄膜上的微纳结构由于等离激元的激发作用,能够有效增强线性及非线性光学响应。基于此,提出了在金膜上自组装CsPbBr_(3)纳米晶超晶格结构,与玻璃基底上样品相比,金膜上超晶格结构内部形成了更强的局域场增强。实验结果表明,其线性光致发光强度提高了约100%,而双光子发光强度得到了约16倍的显著提升。进一步通过改变泵浦光偏振方向可见,这种超晶格的双光子发射具有偏振依赖性,偏振角度在0°~360°范围内呈现四重对称性。研究结果表明,金膜上CsPbBr_(3)纳米晶超晶格是一种有效增强双光子发射的体系,这为构建高性能微纳非线性光子器件提供了新的可能性和优化思路。

钙钛矿CsPbBr_(3)薄膜的制备及其光电性能表征

本实验是针对本科生能力水平、结合光伏领域前沿设计的一个化学综合实验。本实验采用简单的旋涂法在导电玻璃表面制备CsPbBr_(3)钙钛矿薄膜材料,并创新性地将光探测器件的组装实验加入其中以研究CsPbBr_(3)薄膜的光电性能。学生可在实验过程中肉眼可见地观察到黄色的CsPbBr_(3)材料在紫外激光照射下发射出强烈的绿光,这一实验现象能够有效地激发学生兴趣。

I_(2)界面修饰对全无机CsPbBr_(3)钙钛矿太阳能电池性能的影响

通过在CsPbBr_(3)薄膜上旋涂一次I_(2)的异丙醇溶液以修饰CsPbBr_(3)吸光层,钝化CsPbBr_(3)层表面缺陷,改善CsPbBr_(3)薄膜形貌。同时通过利用环境友好的绿色溶剂水溶解CsBr,显著提高了其溶解度,减少了旋涂次数,简化了电池制备流程。实验结果表明,在CsPbBr_(3)钙钛矿太阳能电池(perovskite solar cells,PSCs)中,使用5 mg·mL^(-1)I_(2)的异丙醇溶液界面修饰的器件具有最佳光伏性能,其最高开路电压(open-circuit voltage,V_(OC))为1.55 V,短路电流密度(short circuit current density,J_(SC))为7.45 mA·cm^(-2),填充因子(fill factor,FF)为85.54%,光电转换效率(photoelectric conversion efficiency,PCE)达到了9.88%。

CsPbBr_(3)钙钛矿量子点的合成与表征

钙钛矿量子点由于具有独特的电子和发光性质,近几年已成为生物标记、发光二极管、激光和太阳能电池等领域的研究热点。以全无机钙钛矿类量子点为例设计一个研究型综合实验,实验涵盖了CsPbBr_(3)钙钛矿量子点的制备、表征以及利用钙钛矿量子点荧光性质进行LED器件封装等内容,旨在用简单实验揭开钙钛矿量子点的神秘面纱,让学生感受到科技的魅力。该实验既能让学生更好地了解钙钛矿量子点材料基本知识和应用,还能让学生熟悉液相沉淀法和掌握X射线衍射仪、扫描电子显微镜以及荧光光谱仪等仪器的相关原理及操作,对激发学生科学研究的兴趣和培养学生的综合实践技能、创新思维能力具有积极意义。

CsPbBr_(3)量子点发光性能的探究

以CsBr和PbBr_(2)为离子源、二甲基亚砜为良溶剂、甲苯为不良溶剂、油酸(OA)和油酰胺(OAm)为钝化剂,利用室温辅助沉降法制得全无机卤化物钙钛矿量子点CsPbBr_(3)。探究了甲苯温度、前驱体溶液的加入方式对于CsPbBr_(3)量子点发光性能的影响。实验结果表明,CsPbBr_(3)量子点发光强度随着甲苯温度的增高而变强,发光色纯度随着甲苯温度的增高而降低。温度为80℃时,发光强度最强,色纯度最纯。温度相同时,缓慢滴加前驱体时所得CsPbBr_(3)量子点的发光强度更强,快速注入前驱体时发光色纯度更纯。