[发明专利]一种基于离子交换制备钙钛矿纳米线晶体的制备方法

说明书

本发明提出一种基于离子交换制备钙钛矿纳米线晶体的制备方法，以易制备的钙钛矿纳米线为模板，然后浸入不同卤素离子源溶液内，在10～50℃的温度下反应1～15天，随着离子交换反应时间的变化，实现原钙钛矿中的卤素离子与卤素源溶液中的卤素离子不同程度的交换，从而得到不同卤素组分的钙钛矿纳米线；本发明通过控制钙钛矿纳米线与离子源的交换时间，从而方便简洁地改变钙钛矿纳米线中卤素成分；本发明制备的含有卤素成分的钙钛矿纳米线的荧光发光范围可覆盖整个可见光波段；本制备方法原料用量少，极大降低了成本；钙钛矿纳米线质量高，且分散性分布于基板上，无需微操控转移，可进行原位表征与器件制备。

技术领域

本发明涉及光电信息材料技术领域，尤其涉及一种基于离子交换制备钙钛矿纳米线晶体的制备方法。

背景技术

钙钛矿是指与CaTiO₃有相似晶体结构的化合物，将该类物质统称为钙钛矿，它的化学方程式为ABX₃，其中A主要为FA((CH(NH)₂)₂⁺)、MA(CH₃NH₃⁺)和Cs+等，B主要为Pb²⁺与Sn²⁺，X主要为氯(Cl^-)、溴(Br^-)和碘(I^-)。近年来，继敏化染料太阳能电池发展之后，无机/有机钙钛矿因其高的光吸收能力和高的光电转换效率成为研究热点之一。经过短短几年的研究，复合钙钛矿太阳能电池的转换效率已从2009年的3.81％到2018年的22.7％。除了太阳能电池之外，钙钛矿材料还逐渐开发应用到电致发光(发光二极管，LED)、纳米激光器、光电探测(利用高Q值的回音壁WGM模式)、生物成像等领域。

经典的无机-有机杂化钙钛矿(CH₃NH₃PbX₃,X＝I-,Br-,Cl-)具有优异的光吸收能力，这些双极性半导体由于工艺简单、带宽小、消光系数高、载流子寿命长、扩散长度大等优点引起了极大关注。然而这些化合物对环境非常敏感，包括空气中的氧气、水蒸气、光照、温度等，这些因素容易引起钙钛矿材料的降解，因而严重地限制了它的应用。因此研究者们采取了各种措施来提高杂化钙钛矿材料和器件的稳定性，包括采用反应活跃性较低的类似甲脒阳离子或铯无机原子替换甲胺等。由于全无机CsPbX₃钙钛矿量子点的在稳定性方面的优势，使得它在太阳能电池、LED、光电探测器、纳米激光器等方面有了极大发展。另外，纯无机的CsPbX₃光致发光效率很高，量子产率可达90％以上；而且，钙钛矿的吸收和发光中心位置可以通过调节卤素的比例来实现，因此其色域很广，达到了NTSC色彩标准的130％。因此，一方面很多研究者制作了基于钙钛矿量子点的LED。另一方面，基于钙钛矿的高吸收、高量子产率、高增益，结合纳米线晶体优异的端面性质，可以制备纳米激光器。无论是有机/无机的复合材料(MAPbX₃),还是CsPbX₃都有报道产生了激光辐射，而且可以通过控制卤素比例调谐出射激光波长。CsPbX₃纳米线具有晶体质量高、缺陷密度低、稳定性高等优势，做成的纳米激光器具有高Q值、低阈值、高稳定性等特性。2015年Xiaoyang Zhu等人液相法制备了MAPbX₃纳米线，成功实现了激光激射，激光阈值为0.22μJ/cm²，Q值为3600。2016年，SamuelW.Eatona等人报道了液相生长CsPbX₃纳米线，激光阈值为5μJ/cm²，Q值为1009±5。KidongPark等人通过化学气相转换方法得到纳米线，激光阈值为3μJ/cm²，Q值为1200-1400。