Cs-Pb-Br体系钙钛矿材料光学性能研究进展
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山东科学SHANDONGSCIENCE
第33卷第3期2020年6月出版
Vol.33No.3Jun.2020DOI:10.3976/j.issn.1002 ̄4026.2020.03.011ʌ新材料ɔ
收稿日期:2019 ̄12 ̄25
基金项目:山东省重点研发计划(2018GSF117006)
作者简介:陈思彤(1995 )ꎬ女ꎬ硕士研究生ꎬ研究方向为纳米钙钛矿材料ꎮE ̄mail:pony_cc@126.com∗通信作者ꎬ孙齐磊(1977 )ꎬ男ꎬ副教授ꎬ研究方向为材料腐蚀与防护ꎮE ̄mail:qieleisun@163.com
Cs ̄Pb ̄Br体系钙钛矿材料光学性能研究进展
陈思彤1ꎬ尹艳艳1ꎬ尹敏2ꎬ薛富民2ꎬ孙齐磊1∗
(1.山东建筑大学材料科学与工程学院ꎬ山东济南250101ꎻ2.齐鲁工业大学(山东省科学院)山东省分析测试中心
山东省大型精密分析仪器应用技术重点实验室ꎬ山东济南250014)
摘要:主要探讨了在Cs ̄Pb ̄Br基三元体系全无机钙钛矿材料中稳定存在的3种不同化合物CsPbBr3㊁CsPb2Br5和Cs4PbBr6的光学性能ꎬ对材料的制备方法㊁结构特性以及发光机制研究进行了总结分析ꎮ其中CsPb2Br5和Cs4PbBr6能隙较大ꎬ却又存在优异的荧光特性ꎮ理论与实验结论的矛盾引起了较大的争议ꎬ期望未来能有更直接的实验数据确定材料的结构ꎬ
从而得出Cs ̄Pb ̄Br基三元体系全无机钙钛矿材料的发光机制ꎮ
关键词:CsPbBr3ꎻCsPb2Br5ꎻCs4PbBr6ꎻ结构表征ꎻ制备方法ꎻ光致发光
中图分类号:O649.1㊀㊀㊀文献标志码:A㊀㊀㊀文章编号:1002 ̄4026(2020)03 ̄0075 ̄07
开放科学(资源服务)标识码(OSID):OpticalpropertiesofCs ̄Pb ̄Brsystemperovskitematerials
CHENSi ̄tong1ꎬYINYan ̄yan1ꎬYINMin2ꎬXUEFu ̄min2ꎬSUNQi ̄lei1∗
(1.SchoolofMaterialsScienceandEngineeringꎬShandongJianzhuUniversityꎬJinan250101ꎬChinaꎻ2.ShandongProvincialKeyLaboratoryofAppliedTechnologyforlargePrecisionAnalyticalInstrumentꎬShandongAnalysisandTestCenterꎬ
QiluUniversityofTechnology(ShandongAcademyofScience)ꎬJinan250014ꎬChina)AbstractʒThispapermainlydiscussestheopticalpropertiesofthreedifferentcompoundsCsPbBr3ꎬCsPb2Br5andCs4PbBr6ꎬwhichexiststablyinthewholeinorganicperovskitematerialsintheCs ̄Pb ̄Brternarysystem.Thisstudysummarizedandanalyzedthepreparationmethodꎬstructuralcharacteristicsꎬandluminescencemechanismresearch.AmongthemꎬCsPb2Br5andCs4PbBr6havelargeenergygapꎬbutalsohaveexcellentfluorescencecharacteristicsꎬthecontradictionbetweentheoryandexperimentalconclusionhascausedgreatcontroversy.ItisexpectedtohavemoredirectexperimentaldatatodeterminethestructureofthematerialꎬsotheluminescencemechanismofCs ̄Pb ̄Brternaryinorganic
perovskitematerialswillbediscovered.
KeywordsʒCsPbBr3ꎻCsPb2Br5ꎻCs4PbBr6ꎻstructuralrepresentationꎻpreparationmethodꎻopticalproperties㊀㊀十九世纪三十年代末ꎬ最早在俄罗斯发现一种主要成分为钛酸钙(CaTiO3)的矿石ꎬ俄罗斯地质学家
山㊀东㊀科㊀学2020年LevPerovskite将其命名为钙钛矿[1]ꎮ早期的钙钛矿仅指氧化物型钙钛矿ꎬ逐渐发展演变为结构与CaTiO3相似的一类材料ꎮCs ̄Pb ̄Br体系钙钛矿是目前钙钛矿材料中荧光性能最优的一类材料ꎬ其中以CsPbBr3为代表的全无机卤化铅钙钛矿材料由于优异的光学特性而备受人们的关注ꎬ其良好的电子光学性能和耐缺陷性ꎬ
是高效㊁低成本的太阳能电池和发光器件的理想材料[2]ꎮCs ̄Pb ̄Br三元体系卤化物钙钛矿发现的时间最早可追溯到十九世纪九十年代ꎬWells[3]首次发现在Cs ̄Pb ̄Br三元体系中存在3种稳态化合物CsPbBr3㊁CsPb2Br5和Cs4PbBr6ꎬ通过改变前驱体中溴化铯和溴化铅的比例ꎬ可得到Cs ̄Pb ̄Br体系中的不同相ꎮCsPbBr3本身具有优异的荧光特性ꎬ但光稳定性差ꎬ对水极其敏感ꎮCsPb2Br5和Cs4PbBr6具有良好的抗湿度稳定性及高荧光现象ꎬ但荧光机理尚未明确ꎬ这些问题引起了研究人员的关注ꎮ
本文对近年来无机铅卤化合物Cs ̄Pb ̄Br体系荧光性能的研究进展进行了阐述ꎬ总结了存在的问题和争议ꎬ并对其未来的发展方向进行了展望ꎮ
1㊀CsPbBr3的合成及光学性能研究
二十世纪五十年代ꎬ研究人员对无机卤化铅材CsPbBr3物理化学性能展开了研究ꎬ确定其具有钙钛矿晶
体结构ꎬ但并未发现其具有光学性能[4 ̄5]ꎮ直至1997年ꎬCsPbBr3的荧光性能才引起人们的关注ꎬ但因当时实验条件的限制ꎬ并没有得到理想的荧光特性[6]ꎮ导致随后很长一段时间ꎬCsPbBr3的荧光性质研究进展都极其缓慢ꎮ直至2015年ꎬNedelcu等[7]采用热注入法制备了尺寸较小的立方钙钛矿结构的CsPbBr3纳米晶ꎬ其
粒径均一ꎬ荧光量子产率高ꎬ引起了广大研究人员的关注ꎮ随后的几年中ꎬCsPbBr3纳米材料研究发展迅速ꎮ与CsPb2Br5和Cs4PbBr6不同ꎬCsPbBr3的荧光特性得到研究者们的证实ꎬ并因优异的光电特性迅速发展为卤化钙钛矿半导体领域中的佼佼者ꎮ
1.1㊀CsPbBr3
的结构图1㊀CsPbBr3的晶体结构[8]Fig.1㊀BasicstructuresofCsPbBr3[8]通过控制钙钛矿合成过程中的温度和总系统能量ꎬ可得到正交㊁四方
和立方相3种结晶相[8 ̄9]ꎬ晶体结构之间的差异可能导致完全不同的特性ꎮ
传统的三维CsPbBr3立方结构如图1所示ꎬ其中较大半径的Cs+占据晶格的
顶角位置ꎬ以保证立方钙钛矿结构不被破坏ꎮ体心位置则由半径较小的Pb2+占据ꎬBr ̄占据晶胞的6个面心位置ꎬ并与中Pb2+形成PbBr4 ̄6八面体
[10]ꎮCsPbBr3是离子晶体ꎬ因此其对极性溶剂如水㊁乙醇㊁丙酮等极其敏感ꎬ结构
会在极性溶剂中被破坏ꎬ在一定程度上阻碍了其应用发展ꎮ
1.2㊀CsPbBr3的制备方法目前ꎬ高温热注射法和室温饱和重结晶法是CsPbBr3的两种主要合成方法[11 ̄15]ꎮ高温热注射法是在一
定温度下快速将前驱体与反应溶液混合ꎬ通过控制反应时间和温度ꎬ获得高产率㊁高结晶度的不同尺寸纳米晶ꎮ但反应过程一般需要在高温和惰性气体氛围下进行ꎬ操作繁琐复杂ꎬ限制了其在大规模工业合成中的应用ꎮ2015年ꎬProtesescu等[11]用高温热注射法合成全无机钙钛矿量子点CsPbBr3ꎮ室温饱和重结晶法的原理是利用离子在不同溶剂中的溶解度差异及超饱和再结晶现象ꎬ在室温环境下即可进行合成ꎬ适用于工业大批量生产ꎮ但是由于反应过于激烈和迅速ꎬ很难控制晶体生长过程ꎬ导致其形貌以及晶体结晶度上相对较差ꎮ2016年ꎬLi等[12]首次在室温条件下通过溶液的过饱和结晶ꎬ在较短的时间内制备出具有较高量子产率的全无机钙钛矿材料ꎮ上述这两种方法都是比较成熟的技术但各有缺点ꎬ研究人员在这两种方法的基础上ꎬ可接入不同有机配体改进实验方案ꎬ调控晶体形貌ꎬ提高材料荧光特性ꎬ合成性能更优异的材料ꎮ
1.3㊀CsPbBr3的光学性能三维钙钛矿CsPbBr3具有较大的光吸收系数㊁超低的体积缺陷密度等特性ꎬ使得其在高发光效率方面取67
第3期陈思彤ꎬ等:Cs ̄Pb ̄Br
体系钙钛矿材料光学性能研究进展
图2㊀CsPbBr3的荧光紫外光谱[14]Fig.2NormalizedPLspectraandabsorptionspectraofCsPbBr3[14]得显著优势[13]ꎮ如图2所示ꎬCsPbBr3荧光光谱中
峰的位置位于525nm处ꎬ荧光强度高ꎬ具有优异的
荧光性能ꎮ半导体纳米晶发光的基本方式是价带上
的电子吸收能量受到激发跃迁到导带ꎬ导带上的激发
态电子重新跃迁回价带ꎬ并与价带上的空穴发生复合
释放能量ꎬ即辐射复合发光[15 ̄16]ꎮ传统量子点发光材料一般因局部的非金属离子不成键或形成弱的成键
轨道ꎬ在价带与导带之间形成缺陷态能级[17 ̄19]ꎮ与传统量子点发光材料相比ꎬCsPbBr3的优势在于其拥有
极高的缺陷容忍能力ꎬ能够高度避免间隙中间态缺陷的产生ꎬ该缺陷态能级只形成于价带与导带的内部ꎮ另外ꎬ中间态缺陷能级的减少ꎬ导致纳米晶辐射复合
发光的效率有了大幅度的提高ꎬ从而使得CsPbBr3纳米材料具有优异的荧光特性[12ꎬ20]ꎮ
2㊀CsPb2Br5的合成及光学性能研究二维钙钛矿因为其独特的光电特性引起了人们的极大兴趣ꎬCsPb2Br5是一种二维无机钙钛矿卤化物间接带隙半导体ꎬ理论上不应该具有荧光特性[21]ꎮ然而ꎬ目前对其发光性质的起源仍缺乏基本的认识ꎬ有关其荧光特性的文献相互矛盾ꎬ研究者们对此仍有争议ꎮ2016年ꎬLi等[22]用热注入法合成了CsPb2Br5纳米片ꎬ并未发现荧光特性ꎬ且通过理论计算ꎬ得到CsPb2Br5的带隙为2.979eVꎬ所对应的波长位于416nm处ꎬ与512nm处发射峰不符ꎮ同年ꎬWang等[23]首次将CsPb2Br5作为一种荧光材料做了详细介绍ꎬ通过调节溴化铅和溴化铯的比例ꎬ采用一种简单的反溶剂辅助再沉淀的方法ꎬ批量合成具有绿色荧光的CsPb2Br5纳米片ꎬ其量子产率高达87%ꎮ这种在简单的实验条件下制备的性能优异的荧光材料ꎬ引起了研究人员的极大关注ꎮ2.1㊀CsPb2Br5的结构
CsPb2Br5是一类典型的二维全无机钙钛矿材料ꎬ为层状卤化铅结构ꎮ二维CsPb2Br5结构如图3所示ꎬPb ̄Br
骨架由Cs层分隔ꎬCsPb2Br5的四方相呈现出由[Pb2Br5]-和插入Cs+组成的三明治结构[24]ꎮ在[Pb2Br5]-中ꎬ1个Pb2+与4个Br-组成了细长的五面体ꎬ所有的Pb2+都被限制在[Pb2Br5]-的中心ꎮ因为Cs+位于[Pb2Br5]-中间ꎬ形成二维结构ꎬ相邻的框架层之间没有通道ꎬ使其在物理性能上具有较大的各异性
ꎮa Pb ̄Br的键长ꎻb Pb ̄Br十面体形成的非通道层ꎻc Pb ̄Br十一面体ꎻd 渠道结构的基本单位ꎻe 沿b方向观察到CsPb2Br5晶体结构
图3㊀CsPb2Br5的晶体结构[24]
Fig.3㊀㊀BasicstructuresofCsPb2Br5[24]7
7
山㊀东㊀科㊀学2020年2.2㊀CsPb2Br5的制备方法目前ꎬ主要有两种制备CsPb2Br5的方式ꎬ一种是用热注入法或室温共沉淀法等常规方法直接合成ꎬ另一种则是水诱导转化间接合成法ꎬ即对合成的CsPbBr3进行水处理使其转化为CsPb2Br5ꎮ前者极易合成CsPbBr3杂相ꎬ导致合成材料不纯ꎬ后者合成方法相对复杂ꎮTang等[25]通过热注入方法成功合成了结晶性好㊁结构稳定㊁大小均匀㊁光电性能可调的新型全无机钙钛矿CsPb2Br5微片ꎮLi等[22]报告了一种快速沉淀合成高荧光特性钙钛矿类似于血小板形状的纳米片CsPb2Br5的方法ꎬ引入相对碳链较短的表面活性剂六烷基铵ꎬ促进纳米血小板CsPb2Br5的形成ꎬ得到优异的光学性质ꎮLi等[26]研发了一种绿色环保的化学方法合成CsPb2Br5ꎬ选择超纯水和乙醇作为溶剂ꎬ通过调控超纯水和无水乙醇的比例达到控制产物形貌的目的ꎮTuredi等[27]利用水直接将三维钙钛矿CsPbBr3膜转化为稳定的二维钙钛矿相关CsPb2Br5膜ꎮ在富溴化铅条件下ꎬ这种水诱导的转化过程受连续溶解 ̄再结晶过程的控制ꎮ这些合成的二维钙钛矿相关材料薄膜具有良好的抗湿度㊁稳定性和较高的光致发光量子产率ꎮ
2.3㊀CsPb2Br5的光学性能如图4所示ꎬCsPb2Br5的荧光紫外光谱与CsPbBr3相似ꎬ荧光峰位置蓝移位于521nm处ꎮ对于CsPb2Br5的光致发光机制主要有以下两种推测ꎬCsPb2Br5本身具有荧光特性或嵌入CsPb2Br5中的CsPbBr3杂质引起发光ꎮ一部分学者认为CsPb2Br5本身能产生较强的荧光效应是因为在他们制备的样品中没有发现CsPbBr3纳米晶体[22ꎬ25]ꎮ持反对观点的研究人员认为CsPb2Br5荧光光谱中发射峰的位置与CsPbBr3相近[21ꎬ23]ꎬ因此认为其发射源为嵌入的CsPbBr3纳米晶体ꎮZhang等[21]用热注法合成镶嵌少量CsPbBr3的CsPb2Br5微孔板ꎬ研究人员在制备过程中ꎬ用含有少量水的乙醇溶剂去除CsPbBr3相后ꎬ导致荧光完全猝灭ꎬ这说明主要荧光来源于CsPb2Br5内镶嵌的CsPbBr3ꎮ另外ꎬ紫外荧光数据表明ꎬ对荧光的主要贡献来源于350~500nm的宽带激发ꎬ而这对应的是CsPbBr3并非是CsPb2Br5ꎮ这是目前较为合理的解释ꎬ但在性能表征这一方面ꎬ期望有研究人员可以给出更直观的证明和更具说服力的证据
ꎮ
图4㊀
CsPb2Br5的荧光紫外光谱[22]
Fig.4NormalizedPLspectraandabsorptionspectraofCsPb2Br5[22]3㊀Cs4PbBr6的合成及光学性能研究
目前已有许多文章报道零维材料Cs4PbBr6的光学性能ꎬ关于其本身是否拥有荧光特性引起若干假设与
争议[28-34]ꎮ2016年ꎬSaidaminov等[28]发明了一种简单的分离单相Cs4PbBr6固体的方法ꎬ并研究了其荧光特性ꎬ合成的纯相Cs4PbBr6粉末荧光量子产率达到45%ꎬ提出Cs4PbBr6本身可以发光ꎬ并认为荧光的显著增强归因于其高激子结合能ꎮ同年ꎬChen等[29]提出了相反的观点ꎬ认为在这个体系中ꎬ荧光是由CsPbBr3受激发而得到的ꎬ不发光的Cs4PbBr6中掺杂了具有较强荧光的CsPbBr3纳米晶ꎬ并提出了莫尔条纹的观点对此进行解释ꎮ至此ꎬ零维材料Cs4PbBr6是否发光引起了各国研究人员的广泛关注ꎬ并展开了一系列研究ꎮ
3.1㊀Cs4PbBr6的结构Cs4PbBr6是一类典型的零维全无机钙钛矿材料ꎬ其结构类似于三维钙钛矿ꎮ如图5所示ꎬPbBr4-6正八面体被周围的Cs+分离ꎬ彼此互相孤立并通过CsBr键桥连接[30]ꎬ具有低对称性的结构ꎬCs4PbBr6在一个平
87
第3期陈思彤ꎬ等:Cs ̄Pb ̄Br体系钙钛矿材料光学性能研究进展移对称且PbBr4-6八面体定向固定的结构中结晶ꎬ八面体的间距不足以完全抑制它们之间的相互作用ꎮ而在
有机零维金属卤化物杂化物中能更好地抑制其相互作用[31 ̄32]ꎬ使其更接近于量子点材料ꎮ这种单个分离的PbBr4-6八面体可以被认为是CsPbBr3和Cs4PbBr6之间的显著结构差异ꎮ
图5㊀
Cs4PbBr6的晶体结构[28]
Fig.5㊀BasicstructuresofCs4PbBr6[28]3.2㊀
Cs4PbBr6的制备方法Cs4PbBr6的制备方法与CsPb2Br5相似ꎬ有直接合成和间接转化两种方法ꎮ直接合成操作简便ꎬ但易掺杂杂质ꎻ间接转化则更容易得到Cs4PbBr6纯相ꎬ但操作复杂ꎬ不利于大规模工业生产ꎮChen等[29]在液 ̄液不混溶两相体系中建立了非均相界面反应策略ꎬ将溴化铅和溴化铯溶于二甲基甲酰胺中完全溶解ꎬ然后加入油酸和油胺稳定前驱体溶液ꎬ加速反应ꎮ最后将前驱体溶液快速注入正己烷中搅拌诱导反应ꎬ合成了具有明亮绿光的Cs4PbBr6ꎮ该方法成本低ꎬ操作简便ꎬ实现了在室温条件下的大规模合成ꎮBastiani等[33]通过反溶剂蒸汽辅助结晶合成了CsPbBr3单晶ꎬ再诱导反应合成Cs4PbBr6ꎬ但反应时间较长ꎬ需要48hꎮAdhikari等[34]在室温合成条件下ꎬ通过改变铯 ̄油酸前体的含量ꎬ从CsPbBr3转变为含铅的Cs4PbBr6晶体ꎮ这种转变极大地改变了钙钛矿的形态㊁结构和光学性质ꎮZhang等[35]采用配体辅助下室温再沉淀的方法合成了纯相Cs4PbBr6晶体ꎮ通过改变实验合成中辅助配体ꎬ如用十二烷基胺代替油胺ꎬ得到纯相Cs4PbBr6钙钛矿的荧光量子产率高达
95.1%ꎮ
图6㊀Cs4PbBr6的荧光紫外光谱[29]Fig.6㊀NormalizedPLspectraandabsorptionspectraofCs4PbBr6[29]
3.3㊀Cs4PbBr6的光学性能Cs4PbBr6的研究历史可以追溯到200年前ꎬ1958年ꎬMøller等[36]首次确定了Cs4PbBr6的晶体结构ꎬ并认为其晶体是无色的ꎮ由
于当时技术欠缺ꎬ无法合成纯Cs4PbBr6晶体ꎬ导致其光学性能的研究
被推迟了约40年ꎮ如图6所示ꎬ在365nm波长的激发下ꎬCs4PbBr6的荧光峰位置位于521nm处ꎬ紫外图谱与CsPbBr3图谱相比峰蓝移
了20nmꎮ对于其荧光特性主要有以下几种猜测ꎬCs4PbBr6的直接激
子重组发光ꎬ溴缺陷态发光和嵌入Cs4PbBr6中的CsPbBr3杂质ꎮ一部
分学者认为绿色荧光发射是Cs4PbBr6的固有特性ꎬ并通过透射电镜
(TEM)和X射线衍射(XRD)等实验数据表明ꎬ其是并无CsPbBr3掺
杂的Cs4PbBr6纯相[28ꎬ34 ̄35]ꎮ但是有其他研究者并不同意这种观察和解释ꎬ因为Cs4PbBr6的带隙很宽约为4eVꎬ不具荧光效应ꎬ与文章报
道的520nm的发射峰位置不符[37]ꎻ反而ꎬCsPbBr3的荧光发射峰一般位于525nm处ꎬ与其相对吻合ꎮ并且将发光材料置于水中ꎬ或高温9
7
08
山㊀东㊀科㊀学2020年环境下ꎬ材料会丧失荧光能力ꎬ猜测是其中掺杂的CsPbBr3在极性溶剂中结构被破坏ꎬ导致荧光猝灭ꎮ很快又有学者提出了反对的观点[38]ꎬ认为并无直接的实验数据证明CsPbBr3的存在ꎬ并表明Cs4PbBr6荧光是由溴空位引入了中间态引起的亚带荧光现象ꎮ
4㊀结语与展望
本文主要讨论了近年来无机铅卤化合物Cs ̄Pb ̄Br体系荧光性能的研究进展ꎮ对CsPbBr3㊁CsPb2Br5和Cs4PbBr6的合成及光学性能进行讨论ꎬ理论上只有钙钛矿CsPbBr3是直接带隙材料ꎬ具有荧光特性ꎬCsPb2Br5和Cs4PbBr6均属于间接带隙材料ꎬ并不具备发光条件ꎬ但仍能观测到荧光现象ꎮ是CsPb2Br5和Cs4PbBr6本身发光还是掺杂的CsPbBr3材料引起了发光ꎬ目前仍没有更直接的数据解释ꎬ仍值得科研人员研究探索ꎮ同时ꎬCs ̄Pb ̄Br三元体系卤化物钙钛矿因其材料的多样性和优异的光电性质ꎬ非常适合作为下一代发光材料ꎬ期待其为发光二极管等光电领域带来新的突破ꎮ
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