[发明专利]一种真空低温制备粉末状稀土掺杂无机钙钛矿量子点的方法

说明书

本发明属半导体材料制造与化学合成技术领域，提供一种真空低温制备粉末状稀土元素掺杂的无机钙钛矿CsPbX₃（X=I，Br，Cl）量子点的方法，步骤为：制备铯源前驱液、含稀土元素的铅源前驱液；混合前驱液快速反应；量子点粗沉淀；反萃；助沉剂沉淀量子点；冷冻干燥。通过稀土元素的掺入，进一步增强无机钙钛矿量子点的光电性能，极大地提高稳定性。通过反萃‑冷干等流程得到性质稳定的粉末状量子点，相比于现有技术仅得到的量子点分散液的局限性，具有更加宽广的使用方式。本发明操作易行，原料易获取，有良好的应用前景。吸收波长由于掺杂稀土元素的不同可覆盖300‑800nm，结构稳定性大幅提高。在化学合成领域有广泛的应用前景。

技术领域

本发明属于半导体材料制造与化学合成技术领域，具体涉及一种真空低温制备粉末状稀土掺杂无机钙钛矿CsPbX₃（X=I，Br，Cl）量子点的方法。

背景技术

量子点（QDs），是纳米尺度上的原子和分子的集合体，由有限数目的原子组成，是准零维纳米材料。由于量子表面效应、尺寸效应、量子限域效应、宏观量子隧道效应等特性，QDs具有广泛的应用价值。无机铅卤钙钛矿CsPbX₃（X=Cl, Br, I）作为一种优异的光吸收材料，有合适的直接带隙、高吸收系数、优异的载流子运输性能以及高缺陷容忍度等优点，用于各类半导体器件中。

将无机铅卤钙钛矿做成量子点，是近来科学家提升无机钙钛矿性能的一种有效方法。低带隙无机钙钛矿材料在实际环境中会从立方相（钙钛矿相，黑相，α相）变成正交相（非钙钛矿相，黄相，δ相）而失去光学活性。尺寸减小对立方相的稳定有很大的贡献，理论上CsPbX₃ QDs的任何组分都可以在室温下以立方晶格保持相对稳定。虽然铅卤钙钛矿量子点相比体结晶形态更具稳定性，但由于离子属性的限制仍无法在实际环境中长期使用。

现有技术采用溶液反应法制备CsPbX₃ QDs，仅得到QDs胶体溶液，由于配体的离子结合，QDs胶体溶液在保存1至2周之后便会失去量子点特性。这种不稳定性，限制了CsPbX₃ QDs的进一步使用。稀土离子RE³⁺（RE³⁺= La³⁺, Ce³⁺, Nd³⁺, Sm³⁺, Eu³⁺, Gd³⁺, Tb³⁺, Ho³⁺,Er³⁺, Yb³⁺, Lu³⁺）半径和Pb²⁺半径接近，进入CsPbX₃晶格进行部分取代，可大幅稳定晶格、改善性质。因此，可通过掺杂稀土改善钙钛矿量子点稳定性。

由于成分特性，QDs易发生团聚，现有技术在制备CsPbX₃ QDs时，仅能将QDs分散在特定的极性溶剂中，以胶体溶液的形式进行使用。在钙钛矿太阳能电池、发光二极管等器件研究制备领域，胶体溶液形式极大地阻碍了QDs使用的进一步发展，而粉末状的量子点才能突破溶液类型的限制，满足科研及应用需求。以铯铅碘钙钛矿太阳能电池器件改性为例，使用量子点时，需要根据各层材料的物理特性选择适当的量子点分散剂。现有方法仅能得到诸如甲苯等单一种类的分散剂，甲苯会部分溶解电子、空穴传输材料，在使用时受到限制，但是现有工艺却很难得直接制备出符合各类研究要求的量子点分散液。因此，为了更便捷地使用量子点，迫切需要提出制备粉末状量子点的可行方法。

发明内容

针对现有技术的改进需求，本发明提供一种真空低温制备粉末状稀土掺杂无机钙钛矿CsPbX₃（X=I，Br，Cl）量子点的方法。将稀土元素掺入无机钙钛矿量子点中，大幅提高了量子点自身结构的稳定性。通过冷冻干燥技术处理量子点富集液，获得稳定的粉末状量子点，极大地扩展了量子点的使用方式。