金属卤化物钙钛矿/氧化锌材料的制备及其光电器件研究

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钙钛矿材料迄今为止已有一百多年的历史,金属卤化物钙钛矿由于其优异的光电性能如高的吸收系数、强的光致发光、低的陷阱态密度和长的载流子扩散长度已经被广泛应用于太阳能电池、激光器、发光二极管(LED)等方面,它被研究者认为是未来光电子学最有前途的半导体材料之一。不同形貌结构的钙钛矿材料(微米片,微米线,量子点,微米球等)由于其不同的光电性能在光电领域的应用也不尽相同,探索不同形貌的钙钛矿制备方法是十分有必要的。氧化锌(ZnO)属于直接宽带隙(3.37 eV)金属氧化物半导体,由于制备方法简单,生物相容性好,形貌丰富等特点,在半导体领域已经取得突出成果。但在实用化上,量子效率低、光响应区域短,且单根棒子集成化困难。开发易于集成的氧化锌结构,对于扩展其光电领域的应用十分重要。本文从材料的合成出发,探索了CsPbBr3以及ZnO材料的制备方法,合成出各种形貌的钙钛矿和氧化锌材料(CsPbBr3微米片、半球形CsPbBr3、CsPbBr3量子点、ZnO纳米棒阵列等)。并基于已制备的结构,分别构建了ZnO纳米棒阵列/CsPbBr3量子点/GaN异质结发光二极管(LED)以及Pt等离子体增强的CsPbBr3单模激光器。论文的具体工作如下:1.探究不同形貌的CsPbBr3及ZnO材料的制备方法。通过调节制备条件(Cs Br与Pb Br的摩尔比例,反应中石英管中的压强以及反应温度等条件),利用化学气相沉积法制备了超薄CsPbBr3微米片、半球形CsPbBr3;利用反溶剂法,制备了CsPbBr3微米片;利用高温热注射法制备了CsPbBr3量子点;利用化学气相沉积法制备了ZnO纳米棒阵列。为下一步不同形貌的钙钛矿、氧化锌材料的应用提供了良好的实验基础。2.构建了ZnO纳米棒阵列/CsPbBr3量子点/GaN异质结LED,与单纯的ZnO纳米棒阵列/GaN LED对比。加入CsPbBr3量子点后,测到了CsPbBr3的发光,并且ZnO的缺陷发光强度明显降低,LED的发光性能明显变好。此工作既为白光LED的制备提供了新的方法,也为钙钛矿无机半导体异质结的集成光电应用提供了新的思路。3.通过调节微米片的尺寸,实现了单模CsPbBr3激光。进一步,基于表面等离子体共振效应,将可拆卸的Pt纳米粒子与CsPbBr3微米片耦合,我们实现了单模钙钛矿激光阈值的显著降低(~16%),受激发射明显增强,激光品质因子(~3950)显著提高。该工作有助于实现稳定的、高质量的单模激光器,为后续钙钛矿在单模激光领域的应用提供了理论实验依据。
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