二维金属卤化物钙钛矿薄膜制备与光学特性研究

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二维金属卤化物钙钛矿是指具备(RNH32(CH3NH3n-1AnX3n+1结构式的统称,其中n(整数)为两层有机链之间的金属阳离子层数,当n=1时为标准二维钙钛矿结构,n=2,3,…为准-二维钙钛矿。钙钛矿作为新一代半导体材料,与传统半导体相比,它可以实现可见光(400-800 nm)范围内波长可调节性,改变钙钛矿的维度可以相应的改变它的量子限域效应,从高维度降低到低维度可以明显增加钙钛矿材料的激子结合能,同时,钙钛矿材料也具有非线性效应等。近年来钙钛矿材料的应用涉及到钙钛矿太阳能电池、发光二极管、场效应晶体管、玻色-爱因斯坦凝聚、光催化等各个领域。与三维钙钛矿材料相比,由于有机和无机层之间大的介电常数,二维层状钙钛矿具有自然形成的量子阱结构,它的激子结合能也相当大,通常在几百meV左右。因此,研究二维钙钛矿材料的光与物质相互作用性质,对研发高性能、普适性的光电器件具有重要意义。本文首先介绍了钙钛矿的结构分类、特性及钙钛矿器件;其次,介绍了合成高质量钙钛矿的方法并对其进行基础的光学表征;然后,分析了二维钙钛矿薄膜厚度和温度依赖的反射光谱,并在反射光谱中证明了Fano共振的存在;接着,我们分析了实现强耦合现象的必要条件。最后,总结本论文的主要研究内容以及后续工作计划。本文的主要研究内容如下:1.利用溶液旋涂法合成高质量的二维钙钛矿薄膜。我们利用溶液旋涂法进行钙钛矿薄膜的旋涂,使用控制变量法改变薄膜的质量和厚度。结果发现当匀胶机的转速为5000 rpm时,二维钙钛矿薄膜质量最好,可以通过改变“溶液浓度”来实现不同厚度的钙钛矿薄膜。2.利用基础表征手段来证明合成的高质量的二维钙钛矿薄膜。我们首先使用SEM观察合成的二维钙钛矿薄膜的表面形貌;其次,利用EDS能谱对其合成元素分布进行表征,证明各种元素在钙钛矿薄膜中均匀分布;然后,我们利用AFM得到二维钙钛矿薄膜的均方根为~13 nm左右,进一步证明我们合成了高质量的二维钙钛矿薄膜,最后我们利用横截面SEM来确定钙钛矿的厚度。3.厚度和温度依赖的反射光谱分析。我们首先分析了厚度为50 nm的钙钛矿薄膜,由于强的光子和激子相互作用(激子-极化子)使得50 nm的钙钛矿薄膜的反射光谱中存在一个尖的单峰。当厚度从70 nm变化到420 nm,在反射光谱的横纵激子能量中间出现一个附加的dip,我们证明了这是由于Fano共振所产生的。这个Fano共振产生于离散的激子模和连续的背景反射模的破坏性干涉。最后,我们分析了温度依赖的反射光谱特性,证明了由于温度的降低,激子的共振展宽变弱,使得激子的横纵劈裂值随着温度的降低而变小。4.分析了在二维钙钛矿薄膜上实现强耦合的必要条件。首先,我们在Ag镜上验证了之前在玻璃衬底所得出反射光谱形状的正确性;其次,我们在玻璃衬底上对进行角分辨反射和PL光谱的分析,证明了在裸露的玻璃衬底上时是很难实现强耦合现象;最后,我们为在DBR衬底上实现强耦合现象做了准备和计划。
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