铅基与锡基钙钛矿的制备和发光特性研究
发布时间：2021-04-18 16:23
金属卤化物钙钛矿材料是一种具有优异光电性能的半导体材料,其晶体结构是由二价金属阳离子(主要是Pb2+、Sn2+)和卤素阴离子（主要是Cl-、Br-、I-）形成的正八面体与空间填隙阳离子（主要是Cs+、CH3NH3+）结合形成的。根据钙钛矿晶体结构中正八面体的排列方式不同,可以将其划分为三维（3D）、二维（2D）、一维（1D）和零维（0D）四种类型。在众多金属卤化物钙钛矿中,3D铅卤钙钛矿材料最为引人注目,是因为其具有合成方法简单、荧光量子产率高、荧光波长可调性强（405-690 nm）、晶格完整条件下的带隙缺陷容忍性高、激子束缚能较低等特点,主要应用前景在于太阳能电池、发光二极管（light-emitting diode,LED）、光电探测器、固态光照明等领域。但是铅基钙钛矿纳米晶存在着稳定性较差、蓝光荧光量子产率低、红外荧光波段缺失等问题。锡基钙钛矿具备无毒性元素铅的优势,在实际应用中,对...
【文章来源】：吉林大学吉林省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：127 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
CaTiO3钙钛矿的晶体结构，紫色为Ca2+；绿色为O2-；蓝色为Ti4+
吉林大学博士毕业论文2以及正八面体因子μ(0.44<μ<0.90)[9]:μ=·······································(1-2)其中RA、RB、RX分别为A、B、X三种离子的半径。此类钙钛矿主要有三种晶相，分别为正交相（Pnma）、四方相（14/mcm）、立方相（Pm3m）。除了这种受到容忍因子限制的三维(3D)钙钛矿外，当部分或全部A位离子被具有长链氨基的胺类替代后，可以根据晶体结构中金属卤化物正八面体的排列方式，进一步地将金属卤化物钙钛矿的晶体结构扩展至另外三种维度，分别为二维(2D)、一维(1D)与零维(0D)，如图1.2所示。图1.2金属卤化物钙钛矿晶体结构的四种维度示意图，本图来自于[10]。2D金属卤化物钙钛矿具有类似于三明治的层状晶体结构，通过角共享直接连接的正八面体形成数个平面层，层间被有机长链空间填隙分子隔开，相互交叠的无机层和有机层构成了2D晶体结构。2D金属卤化物钙钛矿又被称为Ruddlesden-Popper型钙钛矿，其化学结构式为An-1Aˊ2BnX3n+1,A代表一价阳离子，例如Cs+、CH3NH3+、HC(NH2)2+；Aˊ为有机长链空间填隙分子；B为二价金属阳离子，如Pb2+、Sn2+；X为负一价卤素阴离子Cl-、Br-、I-。当n=1时，对应于单层2D金属卤化物钙钛矿；当n的取值在2至无穷大之间的有限整数时，对应于准2D金属卤化物钙钛矿。准2D的含义是金属卤化物正八面体单层之间存在A所代表的一价阳离子，从而构成3D钙钛矿的晶体结构片段，但整体仍是2D晶体结构。在通常情况下，n的取值范围为2到5之间（见章节1.3.2，图1.24）；当n趋于无穷大时，对应于3D金属卤化物钙钛矿。
第1章绪论3图1.3烷基链中碳原子数与2D铅卤钙钛矿的层间距关系，本图来自于[11]。经进一步地分析观察，我们注意到2D钙钛矿结构通式中的有机长链空间填隙分子Aˊ，它代表许多不同种类的有机长链空间填隙分子，而它们的长度也不尽相同，这就导致2D钙钛矿的层间距是变化的。那么为了进一步地解析2D金属卤化物钙钛矿的晶体结构，我们就要进一步地研究其层间距。从一个正八面体层的中间位置开始，到下一个相邻的正八面体层的中间位置结束，两者之间的距离即为层间距。层间距包括金属卤化物正八面体层的厚度和有机长链空间填隙分子的长度。在此，以2D铅溴钙钛矿为例进一步说明,如图1.3所示。2D铅溴钙钛矿的层间距与烷基链中碳原子数呈正比关系[11]。当有机长链空间填隙分子为溴化萘烷基胺或溴化萘烷氧基胺时，层间距()与烷基链中碳原子数的关系为[11]：=1.92+0.16×································（1-3）当有机长链空间填隙分子为溴化烷基胺时，层间距()与烷基链中碳原子数的关系为[11]：=0.85+0.16×································（1-4）若有机长链空间填隙分子与金属卤化物正八面体层呈垂直排列时，的增长速率应与碳原子的直径（0.25nm）一致。而实际情况下，的增长速率仅为0.16。这说明有机长链空间填隙分子并不是垂直于金属卤化物正八面体层的，根据三角函数关系可以计算得到，有机长链空间填隙分子与垂直方向呈50°夹角。对于
本文编号：3145790
【文章来源】：吉林大学吉林省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：127 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
CaTiO3钙钛矿的晶体结构，紫色为Ca2+；绿色为O2-；蓝色为Ti4+
吉林大学博士毕业论文2以及正八面体因子μ(0.44<μ<0.90)[9]:μ=·······································(1-2)其中RA、RB、RX分别为A、B、X三种离子的半径。此类钙钛矿主要有三种晶相，分别为正交相（Pnma）、四方相（14/mcm）、立方相（Pm3m）。除了这种受到容忍因子限制的三维(3D)钙钛矿外，当部分或全部A位离子被具有长链氨基的胺类替代后，可以根据晶体结构中金属卤化物正八面体的排列方式，进一步地将金属卤化物钙钛矿的晶体结构扩展至另外三种维度，分别为二维(2D)、一维(1D)与零维(0D)，如图1.2所示。图1.2金属卤化物钙钛矿晶体结构的四种维度示意图，本图来自于[10]。2D金属卤化物钙钛矿具有类似于三明治的层状晶体结构，通过角共享直接连接的正八面体形成数个平面层，层间被有机长链空间填隙分子隔开，相互交叠的无机层和有机层构成了2D晶体结构。2D金属卤化物钙钛矿又被称为Ruddlesden-Popper型钙钛矿，其化学结构式为An-1Aˊ2BnX3n+1,A代表一价阳离子，例如Cs+、CH3NH3+、HC(NH2)2+；Aˊ为有机长链空间填隙分子；B为二价金属阳离子，如Pb2+、Sn2+；X为负一价卤素阴离子Cl-、Br-、I-。当n=1时，对应于单层2D金属卤化物钙钛矿；当n的取值在2至无穷大之间的有限整数时，对应于准2D金属卤化物钙钛矿。准2D的含义是金属卤化物正八面体单层之间存在A所代表的一价阳离子，从而构成3D钙钛矿的晶体结构片段，但整体仍是2D晶体结构。在通常情况下，n的取值范围为2到5之间（见章节1.3.2，图1.24）；当n趋于无穷大时，对应于3D金属卤化物钙钛矿。
第1章绪论3图1.3烷基链中碳原子数与2D铅卤钙钛矿的层间距关系，本图来自于[11]。经进一步地分析观察，我们注意到2D钙钛矿结构通式中的有机长链空间填隙分子Aˊ，它代表许多不同种类的有机长链空间填隙分子，而它们的长度也不尽相同，这就导致2D钙钛矿的层间距是变化的。那么为了进一步地解析2D金属卤化物钙钛矿的晶体结构，我们就要进一步地研究其层间距。从一个正八面体层的中间位置开始，到下一个相邻的正八面体层的中间位置结束，两者之间的距离即为层间距。层间距包括金属卤化物正八面体层的厚度和有机长链空间填隙分子的长度。在此，以2D铅溴钙钛矿为例进一步说明,如图1.3所示。2D铅溴钙钛矿的层间距与烷基链中碳原子数呈正比关系[11]。当有机长链空间填隙分子为溴化萘烷基胺或溴化萘烷氧基胺时，层间距()与烷基链中碳原子数的关系为[11]：=1.92+0.16×································（1-3）当有机长链空间填隙分子为溴化烷基胺时，层间距()与烷基链中碳原子数的关系为[11]：=0.85+0.16×································（1-4）若有机长链空间填隙分子与金属卤化物正八面体层呈垂直排列时，的增长速率应与碳原子的直径（0.25nm）一致。而实际情况下，的增长速率仅为0.16。这说明有机长链空间填隙分子并不是垂直于金属卤化物正八面体层的，根据三角函数关系可以计算得到，有机长链空间填隙分子与垂直方向呈50°夹角。对于
本文编号：3145790
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