長(zhǎng)春光機(jī)所研制出高熒光效率和高穩(wěn)定性鈣鈦礦量子點(diǎn)

近日，中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所副研究員曾慶輝課題組，提出一種新的簡(jiǎn)單易行的操作方法合成了不同鹵素?fù)诫s的全可見(jiàn)光譜區(qū)高性能CsPbX3（X=Cl, Br, I）鈣鈦礦量子點(diǎn)，所制備的鈣鈦礦量子點(diǎn)熒光量子效率最高可達(dá)95%（是目前國(guó)際上報(bào)道的鈣鈦礦量子點(diǎn)樣品的最高值），半峰寬最窄可以達(dá)到9nm（是目前國(guó)際上報(bào)道的量子點(diǎn)樣品的最小值），穩(wěn)定性得到顯著提高，該工作對(duì)鈣鈦礦量子點(diǎn)的制備及其在光電器件領(lǐng)域的應(yīng)用具有重要意義。研究成果發(fā)表在ACS Applied Materials & Interfaces上。

　　量子點(diǎn)，又稱(chēng)為半導(dǎo)體納米晶，由于其優(yōu)異的光學(xué)性能（如激發(fā)譜線(xiàn)寬、發(fā)射譜線(xiàn)窄、熒光效率高、量子尺寸效應(yīng)等），在生物醫(yī)學(xué)、LED和太陽(yáng)能電池等光電領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用研究，熒光效率和穩(wěn)定性越高、半峰寬越窄（單色性越好），量子點(diǎn)在這些領(lǐng)域的應(yīng)用前景就會(huì)越廣闊。近年，鹵素?fù)诫sCsPbX3（X=Cl，Br，I）鈣鈦礦量子點(diǎn)（PQDs）由于其具有較高的熒光量子產(chǎn)率、窄的熒光發(fā)射光譜和熒光顏色隨鹵素?fù)诫s不同可調(diào)等優(yōu)異的光學(xué)性能，進(jìn)一步受到科研工作者的關(guān)注。迄今為止，CsPbX3鈣鈦礦量子點(diǎn)的穩(wěn)定性依然是亟待解決的科學(xué)難題。糾其原因主要是傳統(tǒng)的CsPbX3鈣鈦礦量子點(diǎn)，尤其是混合鹵素的CsPbX3鈣鈦礦量子點(diǎn)的制備多數(shù)是在較低溫度（40℃）下通過(guò)陰離子交換技術(shù)來(lái)完成，這種陰離子交換過(guò)程往往導(dǎo)致熒光效率和穩(wěn)定性的降低。

　　研究人員的工作，旨在提高CsPbX3（X=Cl，Br，I）鈣鈦礦量子點(diǎn)的熒光效率和穩(wěn)定性。與之前報(bào)道的在40℃下通過(guò)陰離子交換技術(shù)獲得的CsPbX3鈣鈦礦量子點(diǎn)不同，研究人員通過(guò)熱注入技術(shù)直接在高溫條件下（～180℃）合成單一或者混合鹵素CsPbX3鈣鈦礦量子點(diǎn)。通過(guò)曾慶輝等研究人員的合成方法，表面配體可以更有效地配位到鈣鈦礦量子點(diǎn)的表面上，從而有利于改善其光學(xué)性能，提高其穩(wěn)定性。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，研究人員使用相對(duì)綠色安全的油酸（OA）/油胺（OAm）雙配體來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的具有較高毒性的OA/OAm/TOP多配體混合物來(lái)合成CsPbX3鈣鈦礦量子點(diǎn)。與先前的需要抽真空和手套箱設(shè)備的嚴(yán)格的合成方法相比，他們提供了僅需要?dú)鍤舛栊詺怏w保護(hù)的簡(jiǎn)便方法；通過(guò)對(duì)反應(yīng)溫度、配體比例、反應(yīng)時(shí)間和不同鹵素原子比例等條件的精確控制以及熱注入技術(shù)，研究人員制備出了一系列高性能的單一和混合鹵素CsPbX3（X=Cl，Br，I）鈣鈦礦量子點(diǎn)。

　　通過(guò)曾慶輝等研究人員的方法制備的CsPbX3（X=Cl，Br，I）鈣鈦礦量子點(diǎn)具有較高的熒光量子產(chǎn)率（40-95%，最高值可以達(dá)到95％，是目前報(bào)道的溶液CsPbX3鈣鈦礦量子點(diǎn)樣品熒光量子產(chǎn)率的最高值），較窄的半峰寬（9-35nm，最窄的半峰寬值為9nm，是目前報(bào)道的溶液量子點(diǎn)樣品半峰寬的最小值），以及較高的光穩(wěn)定性，發(fā)射光譜峰位隨著鹵素?fù)诫s元素的不同在可見(jiàn)光譜區(qū)域中連續(xù)可調(diào)（408-694nm），這將有利于CsPbX3鈣鈦礦量子點(diǎn)在諸如LED和太陽(yáng)能電池等光電器件中得到廣泛應(yīng)用。此外，研究人員用1×1×2超晶胞構(gòu)建了混合鹵素CsPbX3鈣鈦礦量子點(diǎn)的晶體模型，計(jì)算了其能帶結(jié)構(gòu)，并將帶隙與熒光發(fā)射光譜中的峰位進(jìn)行比較，理論上的直接帶隙與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合良好。該研究工作使CsPbX3（X=Cl，Br，I）鈣鈦礦量子點(diǎn)在光電器件等方面顯示出潛力，具有廣闊的發(fā)展前景。

　　該研究工作得到了吉林省科技發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目、中科院青促會(huì)、國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目的支持。

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　　圖1.CsPbCl3、CsPbBr1.5Cl1.5、CsPbBr3、CsPbI1.5Br1.5和CsPbI3鈣鈦礦量子點(diǎn)的立方晶胞結(jié)構(gòu)示意圖（a）、XRD光譜（b）和EDS能譜（c）。CsPbBr3鈣鈦礦量子點(diǎn)的FESEM照片（d），右上角為其TEM照片結(jié)果。

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　　圖2.歸一化的CsPbCl3、CsPbBr1Cl2、CsPbBr1.5Cl1.5、CsPbBr2Cl1、CsPbBr3、CsPbI1Br2、 CsPbI1.5Br1.5、CsPbI2Br1和CsPbI3鈣鈦礦量子點(diǎn)的吸收（a）和熒光發(fā)射光譜（b）。