[发明专利]一种高荧光量子产率杂化钙钛矿量子点材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种高荧光量子产率杂化钙钛矿量子点材料及其制备方法，属于纳米材料、光电材料制备技术领域。

背景技术

理想无机钙钛矿的化学通式为ABX₃，其中，中心金属阳离子B与阴离子X形成配位八面体结构，A存在于八面体间隙，起到平衡BX₃阴离子电荷的作用，相对于典型的三维钙钛矿结构，当沿着某一方向从三维结构中抽出几层八面体层，或者用其他成分取代几层八面体层时，则会出现层状钙钛矿结构。有机-无机杂化钙钛矿材料是用有机胺取代无机钙钛矿中的A位原子，填充在各个八面体间隙中，各个八面体通过共顶点连接伸展成无限延伸的网络结构，有机胺通过胺上的氢与卤素离子形成氢键而伸入无机层空间，有机链之间通过范德华力相互作用，从而形成了有机无机层交替排布的杂化结构。对于杂化钙钛矿结构，有机胺填充在无机八面体间隙中需要满足容忍因子t的限制：(R_A+R_X)＝t√2(R_B+R_X)，R_A、R_B、R_X分别为相应原子半径。容忍因子在0.8≤t≤0.9范围内时会形成三维钙钛矿结构，因此，A、B、X的原子半径决定了有机胺链能否进入到间隙中。对于卤化铅、卤化锡为无机层的杂化钙钛矿结构，能够形成三维结构的多为短链胺，常见的有CH₃NH₃MX₃(M＝Pb、Sn)、NH₂CH＝NH₂SnI₃。

有机-无机杂化钙钛矿材料从分子尺度上结合了有机材料和无机材料的优点，不仅具有无机组分良好的热稳定性、机械性能以及电磁特性，有机组分的易加工成膜等优点，其独特的无机层和有机胺交替堆积形成的量子阱结构使其在量子约束效应和介电约束效应的双重作用下，具有较大的激子结合能，表现出了独特的光电特性，如大的载流子迁移率，强的室温光致发光，且具有半峰宽窄，发光色纯度高的特点，并且可以通过对有机组分和无机组分进行调控从而实现发光特性的控制，在场效应晶体管、太阳能电池、发光、显示等领域具有独特的应用价值。基于以上杂化钙钛矿材料的独特性质和应用，近年来该类材料的研究已引起世界范围内研究者的广泛关注和极大兴趣。

虽然杂化钙钛矿材料在室温下会表现出光致发光性质，但目前实验室所获得该类材料的量子产率仍很低，而且很难有效分散于溶剂中并保持其结构不被破坏。这成为了制约杂化钙钛矿材料发展的瓶颈，能有效解决该问题无论在科学研究还是在应用中都有很大价值。因此，提高杂化钙钛矿材料的荧光量子产率和获得良好分散性的杂化钙钛矿溶液显得尤为重要，这激发了杂化钙钛矿量子点的合成。当有机-无机杂化钙钛矿材料的尺寸降低到纳米级别时，一方面由于量子点尺寸很小且表面有配体存在，很容易分散于常见溶剂中，使其能通过多种方法应用于光电领域中，这为杂化钙钛矿材料的加工应用带来极大便利；另一方面，由于量子点自身独特的量子限域效应，有机-无机杂化钙钛矿量子点将会展现出比块体材料更优异的性质，如更强的发光，更长的荧光寿命，更高的量子产率，并且可以通过控制纳米颗粒的尺寸大小对其发光波长进行调控。与无机量子点材料不同，有机-无机杂化钙钛矿量子点的半峰宽更窄，发光色纯度更高，在高性能显示器件中有很大优势。杂化钙钛矿材料还可作为获得激光的潜在材料。另外，其层层自组装结构使其具备独特的非线性光学特性，可应用于非线性光学器件中。因此，有机-无机杂化钙钛矿量子点必将杂化钙钛矿材料的研究和应用推向新的高潮，并且有着更为广阔的发展前景。