XV Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2023

Введение

Перовскит – полупроводниковый материал для солнечных элементов, обладающий высокой подвижностью носителей зарядов, большой внутренней квантовой эффективностью, низким пределом чувствительности [1].

Перовскитные квантовые точки (ПКТ) были предложены для настройки светового излучения в узком диапазоне. ПКТ обладают улучшенными оптоэлектронными свойствами. КТ перовскита характеризуются яркой и узкой фотолюминесценцией, превышающей 90%, и обеспечивают перестраиваемый спектральный диапазон. ПКТ изготавливаются в растворе при комнатной температуре, а также их можно комбинировать с другими функциональными материалами для улучшения оптоэлектронных характеристик [2].

Влияние температуры растворителя на стадии осаждения

Для исследования фотофизических свойств ПКТ с различных размеров в статье [4] синтезировали ПКТ MAPbBr₃ методом осаждения. Данные ПКТ трех разных размеров были синтезированы путем регулирования температуры растворителя (0, 30 и 40 °C) на стадии осаждения. Полученные точки излучали от синего к зеленому диапазону длин волн с увеличением размеров ПКТ при облучении УФ-лампой.

При увеличении размер ПКТ, полоса поглощения и пик флуоресценции соответственно смещаются в красную область, указывая на уменьшение ширины запрещенной зоны. Более того, экситонный пик на краю полосы становится более заметным по мере того, как ПКТ становится меньше. Эти результаты прямо свидетельствуют, что материалы испытывают эффект квантового ограничения. Эта тенденция наблюдается и в ПКТ CsPbBr₃ [5].

Рис.2. Спектры поглощения и ФЛ ПКТ CsPbBr₃ [4]

Влияние реагентов и их концентрации

Основное излучение CsPbBr₃ является зеленое, но при варьировании условий и реагентов синтеза можно добиться получения ПКТ ( 2нм), излучающие синий цвет.

В статье [9] описан распространенный метод замещения лигандов при комнатной температуре, в результате, которого образуется ПКТ не только вида CsPbBr3, но и Cs4PbBr6. Это связано с тем, что химическая реакция начинается после образования микроэмульсии, и в этом случае процесс эмульсификации плохо поддается контролю, поэтому в этом методе не удается получить устойчивую дисперсию перовскита в гидрофобной среде и образуются два вида ПКТ [10].

Как правило синее излучение обычно характерно для CsPbCl₃ или CsPbBr_xCl_(1-x). Но если добавить небольшое количество органических хлоридов аммония с короткой алкильной цепью или просто использовать амин с короткой цепью при синтезе, можно получить CsPbBr₃, имеющие синее излучение [11]. Причем, чем больше доля короткого амина, тем больше сдвиг в синюю область на спектре поглощения.

В настоящее время в качестве лигандов для ПКТ используют ионные жидкости (ИЖ). ИЖ представляют собой органические соли с температурой плавления в большинстве случаев около комнатной, состоящие из катионов и анионов. Но ИЖ вряд ли будут десорбироваться с КТ и уносить галогенид с поверхности путем протонирования/депротонирования, как олеиламин [12].

Экспериментальная часть.

«Водную фазу» изготавливали с использованием смеси CsBr (раствор A: 0,3 ммоль (0,0639г), который растворяли в 0,3 мл деонизированной H₂O) и PbBr₂ (раствор B: 0,3 ммоль (0,1101г), который растворяли в 0,3 мл ДМФА). «Масляная фаза» готовили путем смешивания 10 мл гексана с 2 мл олеиновой кислотой и октодециламина (0,25 мл) с образованием раствора C. Затем по каплям добавляли «водную фазу» раствор B и раствор A в раствор С. При перемешивании образовывалась эмульсия и окраска раствора превратился из прозрачного в слегка белый. После этого вводили фиксированное количество ацетона 8 мл, который использовался в качестве деэмульгатора для инициирования процесса деэмульгирования. После этого смесь центрифугировали при 7000 об/мин в течение 5 мин с получением осадка, содержащего свежеприготовленные коллоидные КТ и побочные продукты большего размера. Затем осадки были повторно растворены в 2 мл гексана для извлечения коллоидных КТ. После еще одного центрифугирования при 7000 об/мин в течение 5 мин образовался ярко-желто-зеленый коллоидный раствор.

По результатам работы с литературными данными и обсуждений эксперимента прошлого семестра, был проведен синтез при разной температуре растворителя (ацетона) при осаждении (комнатная температура и 40°С) [4], при разном объеме добавляемых растворов А и В (100 мкл и 200 мкл каждого) [11].

Обсуждение полученных данных

В ходе экспериментальной части были синтезированы ПКТ CsPbBr3 при комнатной температуре и при 40°С. Все точки имели сине-зеленое излучение. Для данных точек были сняты спектры поглощения и флуоресценции с разбавлением 150 мкл ПКТ к 3мл н-гексана. На спектрах поглощения при разной температуре имелся экситонный пик при 430 нм.

Рис. 8. а - Спектр поглощения CsPbBr₃ при комнатной температуре; б - Спектр поглощения CsPbBr₃ при Т=40°С

Спектры флуоресценции снимались при длине волны возбуждения 370 нм и имели два пика, соответствующие двум видам ПКТ разного размера. Мелкие ПКТ имели пик в синей области на 435 нм, более крупные имели пик на 521 нм. Причем при комнатной температуре преобладают синее ПКТ, в то время как при 40°С – зеленые.

Рис.9. а - Спектр флуоресценции CsPbBr₃ при комнатной температуре; б - Спектр флуоресценции CsPbBr₃ при Т=40°С

Также мы варьировали соотношение реагентов, добавляя по 100мкл, 20мкл PbBr₂ и CsPb. Причем при 100мкл ПКТ имели синее излучение, когда при добавлении 200мкл – зеленое. Спектры поглощения и флуоресценции были сняты с разбавлением 150мкл ПКТ к 3мл н-гексана.

Рис.10. а - при добавлении 100 мкл PbBr₂ и CsPb; б - при добавлении 200 мкл PbBr₂ и CsPb

Спектр поглощения синих ПКТ имел два экситонных пика на 430 нм и 390 нм, что связано с разными размерами ПКТ. Пик более крупных КТ смещен в красно волновую область.

Рис.11. а - спектр поглощения CsPbBr₃ при добавлении 100 мкл PbBr₂ и CsPb; б - спектр поглощения CsPbBr₃ при добавлении 200 мкл PbBr₂ и CsPb

Спектры флуоресценции снимались при длине волны возбуждения 370 нм. При добавлении 100 мкл PbBr₂ и CsPb на спектре флуоресценции наблюдалось два пика на 520 нм и 433 нм, которые соответствовали ПКТ разных размеров. При добавлении 200 мкл PbBr₂ и CsPb на спектре флуоресценции наблюдался один пик на 521 нм, что говорит об одноразмерных ПКТ, имеющие зеленое свечение.

Рис.12. а - спектр флуоресценции CsPbBr₃ при добавлении 100 мкл PbBr₂ и CsPb; б - спектр флуоресценции CsPbBr₃ при добавлении 200 мкл PbBr₂ и CsPb

Список используемой литературы.

Wang H. C. et al. Perovskite quantum dots and their application in light‐emitting diodes //Small. – 2018. – V. 14. – №. 1. – P. 1702433.

Kovalenko M. V., Protesescu L., Bodnarchuk M. I. Properties and potential optoelectronic applications of lead halide perovskite nanocrystals //Science. – 2017. – V. 358. – №. 6364. – P. 745-750.

Kim T. et al. Elucidation of photoluminescence blinking mechanism and multiexciton dynamics in hybrid organic–inorganic perovskite quantum dots //Small. – 2019. – V. 15. – №. 33. – P. 1900355.

Brennan M. C. et al. Origin of the size-dependent stokes shift in CsPbBr3 perovskite nanocrystals //Journal of the American Chemical Society. – 2017. – V. 139. – №. 35. – P. 12201-12208.

Иванчихина А. В., Пундиков К. С. Сравнительный анализ методов синтеза наночастиц перовскитов CsPbBr 3 при комнатной температуре //Химия высоких энергий. – 2020. – Т. 54. – №. 5. – С. 361-369.

Матюшкин Л. Б. ТЕХНОЛОГИЯ И ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ КОЛЛОИДНЫХ КВАНТОВЫХ ТОЧЕК //Аморфные и микрокристаллические полупроводники. – 2018. – С. 238-238.

Shi S. et al. Surface Regulation of CsPbBr3 Quantum Dots for Standard Blue‐Emission with Boosted PLQY //Advanced Optical Materials. – 2020. – Т. 8. – №. 12. – С. 2000167.

Luo H. et al. Ionic liquid assisted pure blue emission CsPbBr3 quantum dots with improved optical properties and alkyl chain regulated stability //Chemical Engineering Journal. – 2022. – V. 430. – P. 132790.

Код для цитирования: Скопировать