MAPbBr3钙钛矿量子点的合成、钝化处理及其在发光二极管中的应用

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MAPbBr3钙钛矿量子点(PQDs)由于其优异的光学性能和简单的制备工艺,成为最具潜能的下一代照明显示材料。但是MAPbBr3 PQDs仍面临一些技术上的难题:其一,如何在不对PQDs光电性能造成破坏的情况下提高MAPbBr3 PQDs的稳定性;其二,如何制备连续平整的PQDs膜层;其三,如何有效地将激子限制在PQDs发光层中。这些不仅是基于PQDs的发光二极管(LEDs)面临的难题,也是PQDs大规模商业化前亟需解决的问题。围绕上述问题,本论文从MAPbBr3 PQDs的合成、表面钝化处理、PQDs膜层优化和器件构筑角度出发,对PQDs的稳定性和LED的器件性能进行了优化,主要工作如下:(1)室温合成出粒径均一、分散性良好、易于成膜的MAPbBr3 PQDs。研究了传统室温配体辅助再沉淀(LARP)法制备MAPbBr3 PQDs的过程,优化了反应原料的投料比,简化了PQDs的制备流程。该方法可有效降低PQDs制备过程中离心引起的二次伤害,减少PQDs表面有机配体的脱落,合成出的PQDs粒径均一、分散性良好。通过LaMer成核生长模型分析了室温合成PQDs的微观动力学机理。此外,采用该方法制备出的MAPbBr3 PQDs表现出了较好的成膜性,极大提升了PQDs膜层的覆盖率、连续性和平整度。在此基础上,引入了双层空穴传输层,改善了空穴的注入,并将电子有效限制在MAPbBr3发光层中,使器件亮度和效率提升了一个数量级。(2)构筑SiO2包裹的MAPbBr3 PQDs,提升了PQDs的稳定性。利用正硅酸乙酯(TEOS)的水解缩合产生的-O-Si-O-空间网状结构对MAPbBr3 PQDs进行包裹处理,制备出的MAPbBr3PQDs@SiO2复合材料的荧光量子效率(PLQY)大幅提高。研究了TEOS在MAPbBr3 PQDs溶液中的水解缩合机制。不足之处是,SiO2包裹后的MAPbBr3 PQDs尺寸较大,导致膜层质量显著下降,且TEOS在水解缩合过程中的产物无法精确控制和定量分析,最终制备的LEDs均不能正常发光。分析表明,发光区域存在大量绝缘SiO2颗粒是器件无法正常工作的主要原因。(3)构筑聚环氧乙烯(PEO)钝化的MAPbBr3 PQDs,提高了PQDs膜层的稳定性与覆盖率,器件性能显著提升。PEO的加入形成了MAPbBr3 PQDs:PEO复合材料,钝化了PQDs的表面缺陷,充分保护了PQDs表面的有机胺类配体,PEO处理后的PQDs溶液和薄膜的PLQY均提高了50%以上。以MAPbBr3:PEO复合膜层作为电致发光层,制备出的LEDs性能大幅上升,外量子效率和电流效率均提升了18倍以上,光谱的稳定性也大幅提高。本论文对MAPbBr3 PQDs制备方法上的改进以及对PQDs的后钝化处理,不仅改善了MAPbBr3 PQDs的PLQY和稳定性,还改善了其膜层质量,对于后续高产率、易成膜、稳定性良好的钙钛矿量子点制备以及高效电致发光器件的开发具有良好的借鉴意义。
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