天大张宝课题组与宋健课题组 JMCC | 铁掺杂策略用于提升 CsPbBrI₂ 钙钛矿纳米晶体的稳定性和发光性能

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研究背景

红光 CsPbX3 钙钛矿纳米晶体拥有较高的光致发光量子产率(PLQY)、适宜的带隙结构和灵活的溶液加工性等优点,有望广泛应用于 LED 和太阳能电池器件。然而,铅卤钙钛矿材料共有的稳定性问题在红光钙钛矿中尤为突出,限制了该类材料的应用。

无机铅卤钙钛矿(CsPbX3)的金属离子掺杂是使用其他金属离子部分替代 Pb2+,实现对钙钛矿材料性能的调控。多种金属离子(例如 Ni2+,Sr2+,Gd3+)已经被用于钙钛矿的金属离子掺杂,并取得了显著的效果。铁元素拥有较大的丰度、良好的导电性和环境友好性等优势,但关于铅卤钙钛矿铁掺杂的研究却相对缺乏。在此,天津大学张宝课题组宋健课题组合作提出了一种有效的 Fe2+ 掺杂策略,利用铁掺杂诱导的晶格收缩和缺陷钝化,有效提升了红光 CsPbBrI2 钙钛矿纳米晶体的稳定性和发光性能。


文章简介

为辨别掺杂剂中阴离子和阳离子对钙钛矿结构和性能的影响,作者选择了三种铁盐(FeBr2、FeAc2、FeF2)进行实验,详细地讨论了铁掺杂剂中各离子要素(Fe2+,Br-,Ac-,F-)对钙钛矿晶体结构和发光性能的影响。

研究表明,Fe2+ 掺杂诱导了晶格收缩,缩短了 Pb-X 键键长,进而抑制了[PbX6]4- 八面体扭曲,提升了 CsPbBrI2 纳米晶体的稳定性。此外, Fe2+ 的引入抑制了晶体中卤空位的形成,进而优化了 CsPbBrI2 纳米晶体的激子弛豫过程,提升了红光 CsPbX3 的 PLQY。

此外,研究发现十八烯和乙酸乙酯的存在能够对 CsPbBrI2 纳米晶体产生类似于表面刻蚀的破坏作用。利用该过程,进一步地验证了 Fe2+ 被掺入钙钛矿晶格中,并且提升了 CsPbBrI2 纳米晶体的纯化稳定性。

上述研究为构筑高稳定性和发光性能红光钙钛矿材料提供了一种有效的策略。该成果以" An effective Fe(Ⅱ) doping strategy for stable and highly photoluminescent CsPbBrI2 nanocrystals"为题,发表于 Journal of Materials Chemistry C。天津大学化工学院陈雁彬为本文第一作者,张宝副教授宋健教授为本文通讯作者。


图文解析

Fig. 1  Schematic diagram of partial substitution of Pb2+ with Fe2+ in CsPbBrI2 perovskite.


Fig. 2  XRD patterns of undoped CsPbBrI2 NCs, Br-2.4%, Ac-2.1%, F-1.7%. Enlarged XRD patterns show a systematic shift in peak position of (100) and (200) planes with Fe2+ doping.


Fig. 3  Structure of CsPbBrI2 NCs. (a-d) TEM and HR-TEM images of undoped CsPbBrI2 NCs, Br-2.4%, Ac-2.1%, F-1.7%. (e) Survey XPS spectra and (f-i) HR-XPS spectrum of Cs, Pb, Br and I for CsPbBrI2 NCs.


Fig. 4  Luminescence performance of CsPbBrI2 NCs. (a) Steady state absorption (dotted line) and PL (solid line) spectra of CsPbBrI2 NCs. Inset shows the photographs of PNCs in hexane under UV-light (365 nm) irradiation. (b) The PLQY values of CsPbBrI2 NCs synthesized with different iron precursors. (c) Time-resolved photoluminescence decays for excitonic luminescence of the samples upon excitation by a 375-nm pulsed laser.


Fig. 5  Cubic phase and PL stability tests of as-synthesized CsPbBrI2 NCs in the forms of colloidal suspension (in hexane) and thin film. (a) PLQYs of CsPbBrI2 NCs in hexane exposed in the environment for different days. Environment: 25 °C with 20 % relative humidity. (b) Photos of fresh and aged CsPbBrI2 NCs suspension (in hexane, storage under ambient conditions) under UV-light (365 nm) irradiation. (c) The PLQY variation of CsPbBrI2 NCs suspension (in hexane) exposed to UV-light (365 nm) irradiation for different days. The PL evolution of (d) undoped CsPbBrI2 NCs, (e) Br-2.4%, (f) Ac-2.1%, (g) F-1.7% film under ultraviolet light. (h) Photos of CsPbBrI2 NCs thin films exposed to UV-light (365 nm) irradiation for different days.



论文信息

  • An effective Fe(II) doping strategy for stable and highly photoluminescent CsPbBrI2 nanocrystals
    Yanbin Chen, Hewei Yang, Jian Song*(宋健,天津大学) and Bao Zhang*(张宝,天津大学)
    J. Mater. Chem. C, 2022
    http://doi.org/10.1039/D1TC05831B


第一作者

  • 陈雁彬
    2019 年于南京理工大学获得学士学位,现为天津大学化工学院硕士研究生,主要研究方向为高效钙钛矿纳米发光材料的合成设计。

通讯作者

张宝 副教授

天津大学

天津大学化工学院英才副教授(特聘研究员),硕士生导师。天津大学化工学院精细化工系副系主任,化学与精细化工广东省实验室揭阳分中心实验室副主任。天津大学精细化工专业本科,应用化学专业硕士,加拿大里贾纳大学化学博士学位。研究工作主要在精细化工领域,包括光电功能材料,钙钛矿太阳能能电池及发光材料的开发;基于卟啉类化合物的功能材料开发;功能性金属有机框架(MOFs)及共价有机框架材料(COFs)的开发及在光电领域的应用等。以通讯作者在相关领域发表包括 Adv. Energy Mater.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Dyes pigments 等 SCI 论文多篇。主持及参与完成多项国家级及企业项目,目前负责包括国家自然科学基金面上、科技部国家重点研发计划子课题及多项企业技术开发项目等。


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