研究背景
紅光 CsPbX3 鈣鈦礦納米晶體擁有較高的光致發(fā)光量子產(chǎn)率（PLQY）、適宜的帶隙結(jié)構(gòu)和靈活的溶液加工性等優(yōu)點，有望廣泛應(yīng)用于 LED 和太陽能電池器件。然而，鉛鹵鈣鈦礦材料共有的穩(wěn)定性問題在紅光鈣鈦礦中尤為突出，限制了該類材料的應(yīng)用。
無機(jī)鉛鹵鈣鈦礦（CsPbX3）的金屬離子摻雜是使用其他金屬離子部分替代 Pb2+，實現(xiàn)對鈣鈦礦材料性能的調(diào)控。多種金屬離子（例如 Ni2+，Sr2+，Gd3+）已經(jīng)被用于鈣鈦礦的金屬離子摻雜，并取得了顯著的效果。鐵元素?fù)碛休^大的豐度、良好的導(dǎo)電性和環(huán)境友好性等優(yōu)勢，但關(guān)于鉛鹵鈣鈦礦鐵摻雜的研究卻相對缺乏。在此，天津大學(xué)張寶課題組與宋健課題組合作提出了一種有效的 Fe2+ 摻雜策略，利用鐵摻雜誘導(dǎo)的晶格收縮和缺陷鈍化，有效提升了紅光 CsPbBrI2 鈣鈦礦納米晶體的穩(wěn)定性和發(fā)光性能。
文章簡介
為辨別摻雜劑中陰離子和陽離子對鈣鈦礦結(jié)構(gòu)和性能的影響，作者選擇了三種鐵鹽（FeBr2、FeAc2、FeF2）進(jìn)行實驗，詳細(xì)地討論了鐵摻雜劑中各離子要素（Fe2+，Br-，Ac-，F(xiàn)-）對鈣鈦礦晶體結(jié)構(gòu)和發(fā)光性能的影響。
研究表明，F(xiàn)e2+ 摻雜誘導(dǎo)了晶格收縮，縮短了 Pb-X 鍵鍵長，進(jìn)而抑制了[PbX6]4- 八面體扭曲，提升了 CsPbBrI2 納米晶體的穩(wěn)定性。此外， Fe2+ 的引入抑制了晶體中鹵空位的形成，進(jìn)而優(yōu)化了 CsPbBrI2 納米晶體的激子弛豫過程，提升了紅光 CsPbX3 的 PLQY。
此外，研究發(fā)現(xiàn)十八烯和乙酸乙酯的存在能夠?qū)?CsPbBrI2 納米晶體產(chǎn)生類似于表面刻蝕的破壞作用。利用該過程，進(jìn)一步地驗證了 Fe2+ 被摻入鈣鈦礦晶格中，并且提升了 CsPbBrI2 納米晶體的純化穩(wěn)定性。
上述研究為構(gòu)筑高穩(wěn)定性和發(fā)光性能紅光鈣鈦礦材料提供了一種有效的策略。該成果以" An effective Fe(Ⅱ) doping strategy for stable and highly photoluminescent CsPbBrI2 nanocrystals"為題，發(fā)表于 Journal of Materials Chemistry C。天津大學(xué)化工學(xué)院陳雁彬為本文第一作者，張寶副教授及宋健教授為本文通訊作者。
圖文解析
▲ | Fig. 1 Schematic diagram of partial substitution of Pb2+ with Fe2+ in CsPbBrI2 perovskite. |
▲ | Fig. 2 XRD patterns of undoped CsPbBrI2 NCs, Br-2.4%, Ac-2.1%, F-1.7%. Enlarged XRD patterns show a systematic shift in peak position of (100) and (200) planes with Fe2+ doping. |
▲ | Fig. 3 Structure of CsPbBrI2 NCs. (a-d) TEM and HR-TEM images of undoped CsPbBrI2 NCs, Br-2.4%, Ac-2.1%, F-1.7%. (e) Survey XPS spectra and (f-i) HR-XPS spectrum of Cs, Pb, Br and I for CsPbBrI2 NCs. |
▲ | Fig. 4 Luminescence performance of CsPbBrI2 NCs. (a) Steady state absorption (dotted line) and PL (solid line) spectra of CsPbBrI2 NCs. Inset shows the photographs of PNCs in hexane under UV-light (365 nm) irradiation. (b) The PLQY values of CsPbBrI2 NCs synthesized with different iron precursors. (c) Time-resolved photoluminescence decays for excitonic luminescence of the samples upon excitation by a 375-nm pulsed laser. |
▲ | Fig. 5 Cubic phase and PL stability tests of as-synthesized CsPbBrI2 NCs in the forms of colloidal suspension (in hexane) and thin film. (a) PLQYs of CsPbBrI2 NCs in hexane exposed in the environment for different days. Environment: 25 °C with 20 % relative humidity. (b) Photos of fresh and aged CsPbBrI2 NCs suspension (in hexane, storage under ambient conditions) under UV-light (365 nm) irradiation. (c) The PLQY variation of CsPbBrI2 NCs suspension (in hexane) exposed to UV-light (365 nm) irradiation for different days. The PL evolution of (d) undoped CsPbBrI2 NCs, (e) Br-2.4%, (f) Ac-2.1%, (g) F-1.7% film under ultraviolet light. (h) Photos of CsPbBrI2 NCs thin films exposed to UV-light (365 nm) irradiation for different days. |
論文信息
An effective Fe(II) doping strategy for stable and highly photoluminescent CsPbBrI2 nanocrystals
Yanbin Chen, Hewei Yang, Jian Song*（宋健，天津大學(xué)） and Bao Zhang*（張寶，天津大學(xué)）
J. Mater. Chem. C, 2022
http://doi.org/10.1039/D1TC05831B
第一作者
陳雁彬 2019 年于南京理工大學(xué)獲得學(xué)士學(xué)位，現(xiàn)為天津大學(xué)化工學(xué)院碩士研究生，主要研究方向為高效鈣鈦礦納米發(fā)光材料的合成設(shè)計。
天津大學(xué)通訊作者
天津大學(xué)化工學(xué)院英才副教授（特聘研究員），碩士生導(dǎo)師。天津大學(xué)化工學(xué)院精細(xì)化工系副系主任，化學(xué)與精細(xì)化工廣東省實驗室揭陽分中心實驗室副主任。天津大學(xué)精細(xì)化工專業(yè)本科，應(yīng)用化學(xué)專業(yè)碩士，加拿大里賈納大學(xué)化學(xué)博士學(xué)位。研究工作主要在精細(xì)化工領(lǐng)域，包括光電功能材料，鈣鈦礦太陽能能電池及發(fā)光材料的開發(fā)；基于卟啉類化合物的功能材料開發(fā)；功能性金屬有機(jī)框架（MOFs）及共價有機(jī)框架材料（COFs）的開發(fā)及在光電領(lǐng)域的應(yīng)用等。以通訊作者在相關(guān)領(lǐng)域發(fā)表包括 Adv. Energy Mater.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Dyes pigments 等 SCI 論文多篇。主持及參與完成多項國家級及企業(yè)項目，目前負(fù)責(zé)包括國家自然科學(xué)基金面上、科技部國家重點研發(fā)計劃子課題及多項企業(yè)技術(shù)開發(fā)項目等。
