[发明专利]一种钙钛矿镧系复合纳米材料及其制备方法和在宽波段光电探测器中的应用

说明书

本发明公开了一种钙钛矿镧系复合纳米材料及其制备方法和在宽波段光电探测器中应用，其利用溶液法合成的金属卤化物钙钛矿与镧系上转换复合纳米材料，镧系掺杂上转换纳米材料（UCNPs）是个反Stoke过程，恰好可将低能量近红外光转换成高能量可见光，可以弥补钙钛矿用于宽波段光电探测的不足，本发明的镧系上转换纳米材料掺杂钙钛矿复合纳米材料中上转换纳米材料表面包裹介孔二氧化硅，钙钛矿在介孔硅表面通过原位结晶法形成，具有更强的量子限域和更高的稳定性，可设计成纳米传感器用于探测X‑射线、紫外‑可见以及近红外光，该复合纳米材料对不同剂量率的x射线和不同功率密度的UV/NIR具有广泛的线性响应。

技术领域

本发明属于光电检测领域，具体涉及一种钙钛矿镧系复合纳米材料及其制备方法和在宽波段光电探测器中的应用。

技术背景

过去数十年，有机无机杂化钙钛矿(CH₃NH₃PbX₃, X = Cl, Br, I)以及全无机含铅钙钛矿(CsPbX₃, X = Cl, Br, I)纳米晶体经历了飞跃发展，吸收了众多学者的关注。铅卤钙钛矿纳米晶材料具备众多特性：如全谱光调控、发射谱带窄、光致效率高、特殊电子和晶体特性，赋予其较高载流子的流动性和较长的载流子扩散深度。尤其是，全色彩调节和发射使得这一材料成为发光二极管如LED、激光器、光学传感器的理想材料。光电探测器在生物医学传感、相机成像、光学通讯和夜视方面有着广泛运用，可用于记录X射线、紫外-可见以及近红外光。在光电探测器中最主要的部位是响应不同光子能量的半导体器件。目前，众多商业可用的光学探测器主要采用无机半导体晶体，如硅或者III-V化合物。然而这类材料对光学能量从X射线、紫外-可见覆盖至近红外光均无法实现超宽波段响应。近来，低温溶液合成法合成的金属卤化物钙钛矿材料的出现为下一代光电器件发展提供了可能性。利用钙钛矿材料作为活性表层的高灵敏光电探测器已经广泛用于探测紫外-可见以及X射线。这主要得益于低廉的制造成本和优异的光电特性如载流子扩散长度长，载流子迁移率高以及紫外-可见和X射线吸收系数大。然而，光电探测器中钙钛矿对近红外光的响应很局限，因为他们最大的吸收边缘位于近红外光850 nm以下区域。可同时响应X射线、近红外光、紫外-可见的光电探测器依然面临着技术挑战。

镧系掺杂上转换纳米材料(UCNPs)可将近红外光转变成紫外-可见光，广泛运用于生物成像、多通路传感、光储存和防伪。镧系掺杂上转换纳米材料（UCNPs）是个反Stoke过程，恰好可将低能量近红外光转换成高能量可见光，但其固有严格的能级区分使其在波长调节方面很受限。本发明设计了一种基于钙钛矿/镧系复合纳米材料的宽波段光电探测器，可实现高效的多光子近红外上转换和X射线闪烁。通过在UCNPs表面包裹mSiO₂，随后将有机无机铅基钙钛矿纳米晶体原位结晶法生长嵌入介孔硅中。这种复合材料不仅拓展了钙钛矿激发光源，而且又跨越镧系元素的有限可调节发射，弥补了镧系上转换过程缺乏连续发射波长光谱的缺陷。本发明还涉及将该材料用于X射线、紫外-可见、近红外光的探测。

发明内容

本发明目的在于提供一种钙钛矿镧系复合纳米材料及其制备方法和在宽波段光电探测器中的应用。通过将镧系元素与钙钛矿合理结合起来，充分发挥二者功能，扬长避短，可实现对宽波段光谱的检测，操作过程简单，灵敏度高。

为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

一种钙钛矿镧系复合纳米材料的制备方法，包括以下步骤：

（1）内核的制备：将稀土醋酸盐混合物加入油酸和十八烯中，在150℃下反应30min，冷却至室温后，再加入NaOH和NH4F的甲醇溶液，升温至50℃继续反应30 min，然后继续加热至100℃，对溶液进行脱气处理10min，除去多余的甲醇；最后在N2保护下进一步升温到290℃反应90 min后，搅拌冷却至室温，用乙醇和环己烷洗涤离心后，得到内核纳米产物，分散在环己烷溶液中备用；