一维/二维铯铅溴钙钛矿的制备及其光子学性能调控研究

发布时间：2021-07-18 19:09

　　钙钛矿材料因其优越的光学性能,高载流子迁移率,宽色域等优势成为当今最具潜力的新型半导体材料之一。其中,有机-无机杂化钙钛矿材料被广泛应用于太阳能电池且表现出高的效率。但其低的环境和热稳定性问题大大限制了材料的发展和应用。在此基础上全无机钙钛矿材料脱颖而出,其相对于有机-无机杂化钙钛矿更强的激子发光,更低的缺陷态密度,更高的环境和热稳定性等优势为钙钛矿材料的应用提供了新的材料基础,成为下一代光电子器件的明星材料之一。但目前对材料的发光性质的研究仍然处于起步阶段,机理方面仍存在争议,对材料的光学性能调控的研究仍然存在空缺。基于当前的研究现状,本文系统研究了CsPbBr₃和CsPb₂Br₅两种钙钛矿材料的光子学性能,探索了其发光机理,具体研究工作分为以下两个方面:（1）CsPbBr₃的光子学性能调控研究。采用溶液法大规模合成高质量的CsPbBr₃微/纳米线,使用X射线衍射仪、扫描电子显微镜以及能谱分析仪、显微拉曼光谱仪等进行了材料的物性表征,证实制备得到的CsPbBr₃

【文章来源】：湖南师范大学湖南省 211工程院校

【文章页数】：64 页

【学位级别】：硕士

【部分图文】：

(a)CsPbBr3的晶格结构

佑?体系的微腔光子产生强的耦合作用提供了优异条件，进而耦合产生激子、光子之间的共振态。这个过程产生的能量恰恰可在共振之间产生强振荡并能够持续保持长的振荡时间和强度，耦合系数g>√(γ12+γ22)/2可用来确定两者的耦合强度。我们知道能量在结构中传播的过程中会不可避免的产生损耗，但在此过程中腔内的粒子耦合强度和传播速度均远远大于能量的损耗，这种情况下实现了相干态粒子之间的能量交换过程从而实现更大程度的激子与光子之间的耦合。从而形成了一种新的具有高耦合强度的局域化状态即激子极化激元，整个过程如图1-2（a）所示。图1-2（a）典型的激子-光子作用原理图。（b）能量状态在矢量空间中的具体表示[30]。那么，这种新得到的局域化能量状态可以在矢量空间中清晰的展示，可以表现为上极化子（UPB）和下极化子（LPB）两个具体能量分支，矢量空间中反向

硕士学位论文4交叉的两条能量分支曲线如图1-2（b）所示，拉比能量是描述局域化状态耦合强度大小的关键指标。图中交叉曲线的最小差值即为拉比能，具体数值可以通过公式2Ω=2√g2-(γcav2-γexc2)2/4[31,32]来准确计算。一般材料体系虽已被证实结构中存在激子和光子的耦合，但是不足的是其拉比分裂能处于一个较低的状态，比如在传统的易形成腔结构的半导体材料ZnO、GaN[33,34]，而本文我们检测到的钙钛矿材料中的拉比振荡能远超这些材料。并且全无机钙钛矿材料中的强耦合实现了体系发光的较大增益，在上述过程中伴随产生的还有极化子凝聚等现象，更大程度上拓宽了全无机钙钛矿材料的广泛应用。图1-3(a)激光作用在样品示意图。(b)样品的稳态PL光谱。因此，具有激子和光子强耦合的材料结构需要在其中形成高振荡强度的结构条件且结构中需要具有较高的激子状态，使得材料的种类和材料的尺寸大小会对激子-光子的强耦合作用产生重要的影响。而我们所研究的CsPbBr3其纳米线形貌结构是形成结构微腔的重要基础，且相对于其他半导体材料更高的激子态和可控的尺寸制备优势均使得它成为独特的材料结构，成为研究调控体系光-物质相互作用的重要载体。激子-光子的强耦合作用表现在全无机钙钛矿微纳结构的宏观形态和稳态PL光谱上的现象如图1-3所示[28]，外界激光作用在纳米线其中的一端时我们同时可以在另外一端观察到明亮的发射，并且在稳态PL光谱上可以观察到主发射峰被连续的小发射峰组合替代，展示出了激子和光子之间强耦合振荡。因此在我们的低维半导体光学实验研究中，调控全无机钙钛矿材料结构中的光-物质作用对其在物理研究中的光子学性能调控研究、发光机理的解释以及材料的全面应用提供了重要的方向。


本文编号：3290188