有机-无机层状类钙钛矿薄膜的制备与光学性能研究

摘要

近年来，有机-无机层状类钙钛矿材料以其优良的光电特性、成膜特性受众多科研工作者关注。在分子尺度上，有机-无机层状类钙钛矿材料是由有机组元与无机组元利用化学方法组装构成，结构中有机层与无机层呈交替排列，层与层之间以分子键的形式结合。因此，钙钛矿材料拥有天然的量子阱结构，且能够在结构发生畸变时进行自我调节。有机-无机层状类钙钛矿材料的独特性能为其在光电学领域中的广泛应用提供了可能。
　　文章首先采用旋涂法制备(R-NH3)2PbX4(X=Br、I)体系薄膜，分别采用苯乙胺、苯甲胺、丙胺以及丁胺等作为有机先驱体，成功制备出系列有机-无机层状类钙钛矿薄膜，并系统的对薄膜的制备条件以及相关性能进行了探究。
　　研究(R-NH3)2PbX4(X=Br、I)体系薄膜的光学性能，分别探究制备过程中无机卤素离子种类、退火温度、有机元浓度和钙钛矿层数的改变对薄膜材料发射光谱与吸收光谱的影响。实验结果表明，在该体系中，随着卤素离子(X=Br、I)种类的改变，激子吸收峰波长与发射峰波长发生了明显的红移;随着实验中退火温度和有机元浓度的变化，薄膜的吸收峰波长与发射峰波长均发生了轻微变化;随着钙钛矿层数增加，材料的光致发光性能出现明显红移，然而对于三层以上的薄膜，薄膜的光学性能并没有出现太大变化。对于(C4H9NH3)2PbX4薄膜，在选择不同的无机元先驱体时，薄膜的光学性能也表现出了较大变化。另外，通过薄膜荧光寿命的测试发现层状类有机-无机钙钛矿薄膜的荧光寿命大致处于微秒量级，薄膜的荧光寿命会受到制备过程中的有机元浓度、退火温度、无机元卤素种类及有机元种类等因素的影响。
　　XRD研究结果表明热处理过程对薄膜晶体结构的形成非常重要。随着退火温度的升高，薄膜的衍射峰强度以及晶化程度均有所提高，低温退火环节促进了钙钛矿类材料的晶体结构形成，但是值得注意的是过高或过低的退火温度均不利于材料的制备，过高的退火温度容易导致薄膜分解，过低的退火温度易使薄膜结晶度降低，不利于制备过程中有机溶剂的挥发。此外，钙钛矿材料中的无机卤素离子种类对薄膜的晶体结构也具有较大影响，随着卤素种类的变化，薄膜的晶体结构也会随之发生变化。
　　根据(FDTD)时域有限差分法进行仿真，用Matlab软件对2D/3D钙钛矿薄膜晶体谐振腔里的电场分布的情况进行模拟。通过改变谐振腔内部的激励源（五种不同的激励源）以及改变谐振腔网格参数长宽比来观察对应出现的模拟电磁场不同分布情况。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 有机-无机层状类钙钛矿材料的结构

1．1．1 有机-无机层状类钙钛矿晶体结构

1．1．2 能带结构

1．2 有机-无机层状类钙钛矿材料的制备方法

1．3 有机-无机层状类钙钛矿材料的性能

1．3．1 电学性能

1．3．2 光学性能

1．4 本文研究的目的和主要内容

第二章 (R-NH3)2PbX4薄膜的制备与测试分析

2．1 实验原料及设备

2．2 晶体粉末的制备

2．3 薄膜的制备

2．3．1 衬底的清洗

2．3．2 退火

2．3．3 溶剂的选择

2．3．4 性能测试与分析

第三章 (C6H5C2H4NH3)2PbX4薄膜的结构及光学性能分析

3．2 (C6H5C2H4NH3)2PbX4薄膜的光学性能分析

3．2．1 不同卤素对薄膜光学性能的影响

3．2．2 不同比例卤素离子对薄膜光学性能的影响

3．2．3 退火温度对薄膜光学性能的影响

3．2．4 钙钛矿薄膜层数对薄膜光学性能的影响

3．2．5 有机元浓度对薄膜光学性能的影响

3．3 本章小结

第四章 (C4H9NH3)2PbX4薄膜的结构及光学性能分析

4．1 (C4H9NH3)2PbX4薄膜的结构分析

4．2 (C4H9NH3)2PbX4薄膜的光学性能分析

4．3 本章小结

第五章 其他(R-NH3)2PbX4薄膜的光学性能分析

5．2 (C6H5NH3)2PbX4薄膜的光学性能分析

5．3 有机组元对层状类钙钛矿薄膜光学性能的影响

5．4 本章小结

第六章 (R-NH3)2PbX4薄膜荧光寿命的测定与分析

6．1 荧光寿命的定义

6．2 荧光寿命的测定与分析

6．2．1 (C6H5C2H4NH3)2PbX4薄膜的荧光寿命探究

6．2．2 (C4H9NH3)2PbX4薄膜的荧光寿命探究

6．2．3 有机元组分对薄膜荧光寿命的影响

6．3 本章小结

第七章 有机-无机层状类钙钛矿纳米单晶的激光特性的研究

7．1 时域有限差分算法(FDTD)

7．1．1 Yee氏元胞

7．1．2 数值稳定性条件

7．1．3 激励源

7．2 3D-FDTD

7．2．1 3D钙钛矿晶体谐振腔模拟

7．3 2D-FDTD

7．3．1 2D-FDTD的MATLAB仿真

7．4 本章小结

第八章 结论

参考文献

致谢

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