Одностадийный комнатнотемпературный синтез 10-нм 2D квантовых точек перовскита Раддлсдена-Поппера с настраиваемой эмиссией
Аннотация
Гибридные органико-неорганические и полностью неорганические свинцовые галогенидные перовскиты стали лидерами для оптоэлектроники следующего поколения. Двумерные (2D) варианты Раддлсдена-Поппера (RP) особенно привлекательны, так как их запрещенные зоны можно настраивать толщиной слоя, обеспечивая точный контроль электрон-дырочного замыкания и давая исключительную химическую и фотстабильность. В этом исследовании представлен простой одностадийный протокол, дающий монодисперсные (BA)₂(MA)ₙ₋₁PbₙX₃ₙ₊₁ квантовые точки (QD) со средним диаметром 10 нм при комнатной температуре. Бромидная (Br) серия (410–523 нм) и йодидная (I) серия (527–761 нм) демонстрируют узкие полосы эмиссии (12–75 нм), предсказуемо смещающиеся с отношением MA/галоген. Особенно, Br-серия достигает квантового выхода фотолюминесценции (PLQY) 48,6 %, превосходя обычные 3D MAPbX₃ QD при превосходной термодинамической стабильности. Эти результаты показывают, что растворимые 2D RP перовскитные QD с контролируемыми оптическими свойствами готовы к интеграции в высокопроизводительные СД, фотодетекторы и фотоэлектрические устройства.
Введение
Разработка флуоресцентных материалов, сочетающих узкую полосу эмиссии с точной цветовой настройкой, необходима для современных технологий освещения и дисплеев. Коллоидные квантовые точки (QD) удовлетворяют эти требования, предлагая настраиваемые длины волн эмиссии и высокие PLQY. Хотя традиционные II-VI и III-V полупроводники доминировали в этой области, появление 3D органико-неорганических и неорганических галогенидных перовскитных QD (формула AMX₃) открыло новые пути для ярких, настраиваемых эмиттеров. Эти 3D перовскиты демонстрируют эффективности светодиодов (СД) и фотоэлектрических элементов по всему диапазону 400–800 нм с резкими эмиссиями (FWHM ≈ 20 нм). Однако нерадиативная рекомбинация через суб-зонные дефектные состояния ограничивает их PLQY и электролюминесцентную производительность. Двумерные перовскиты Раддлсдена-Поппера, построенные вставкой крупных органических катионов (R) в А-позицию слоев AMX₃, устраняют типичные ловушечные состояния на краях слоев, давая длительные времена жизни ПЛ, превосходную фотстабильность и химическую робастность. Межслойное разделение действует как квантовый барьер, позволяя инженерии запрещенной зоны за счет изменения толщины неорганического слоя (n). Следовательно, 2D слоистые перовскитные тонкие пленки уже показали перспективы в фотоэлектрических и СД устройствах, выигрывая от сниженных нерадиативных путей и настраиваемых длин волн эмиссии. Несмотря на эти достижения, коллоидные 2D перовскитные QD ниже 10 нм остаются недостаточно изученными, в основном из-за проблем с контролем размера и масштабируемостью синтеза. Наша работа закрывает этот пробел, представляя легкий, комнатнотемпературный одностадийный метод, дающий единообразные 10-нм 2D RP перовскитные QD с высоко настраиваемыми оптическими свойствами.
Результаты и обсуждение
Синтетическая стратегия (рис. 1a) начинается с прекурсорного раствора, содержащего PbX₂ (X = Br или I), метиламмоний галогид (MAX), бутиламмоний галогид (BAX), октиламин (OLA) и олеиновую кислоту (OA), растворенные в диметилформамиде (DMF). Смесь капельно вводят в хлорбензен, вызывая немедленную нуклеацию и рост 2D RP QD при комнатной температуре. Варируя отношение MAX:PbX₂ (таблица 1), получают QD по диапазону n значений. OA и OLA служат каппирующими агентами, стабилизирующими растущие нанокристаллы и подавляющими неконтролируемую агрегацию. Рисунки 1b и c показывают подготовленные Br и I серии QD, диспергированные в толуене. Под УФ-освещением (λ = 365 нм) цвет эмиссии эволюционирует от синего к зеленоватому (Br серия) и от зеленоватого к ярко-красному (I серия) по мере увеличения n, демонстрируя настраиваемость запрещенной зоны. Особенно, 3D йодидные перовскитные QD (n = ∞) демонстрируют слабейшую эмиссию, подчеркивая превосходную оптическую стабильность 2D вариантов. Фотолюминесцентные измерения (рис. 2) показывают, что Br серия эмитирует между 410 и 523 нм, в то время как I серия покрывает 527–761 нм. Обе серии демонстрируют систематический красный сдвиг с увеличением n и сохраняют низкие значения FWHM (≈ 11–21 нм), указывающие на высокую кристалличность и монодисперсность. PLQY варьируются от 6,8 % до 48,6 % для Br серии и от 1,1 % до 24,8 % для I серии, с наивысшим значением для (BA)₂(MA)₃Pb₄Br₁₁ (n = 4). Выраженный квантовый замыкающий эффект возникает из дискретной толщины неорганического слоя, который разделяет перовскитные пластины через BA-спейсеры. Передаточная электронная микроскопия (TEM) (рис. 3) подтверждает сферическую морфологию и узкое распределение размеров QD со средним диаметром ≈ 10 нм. Высокоразрешающий TEM (HRTEM) раскрывает четкие решетчатые фрижи: d-расстояние 0,27 нм для n = 1 (соответствует плоскости (0100)) и ≈ 0,29 нм для n = 2 (соответствует плоскости (200)). Эти структурные черты подтверждают 2D слоистую архитектуру. Рентгеновская дифракция (XRD) (рис. 4) показывает характерные низкоугловые пики, смещающиеся с n, отражающие инкрементное расширение элементарной ячейки по мере увеличения толщины неорганического слоя. Все QD с n ≥ 2 демонстрируют (100) пики при 15,1° (Br) и 14,1° (I), согласуясь с 3D перовскитными референсами. Расширение этих пиков с ростом n подтверждает наномасштабный размер зерен. Наличие дополнительных низкоугловых рефлексов для n = 1–4 дополнительно подтверждает успешный синтез дискретных 2D фаз. Временнозависимая фотолюминесценция (TRPL) (рис. 5) показывает неэкспоненциальные профили распада со средними временами жизни 1–9 нс для Br серии и 48–75 нс для I серии. Более длительные времена жизни йодидных QD отражают их более узкие запрещенные зоны и сниженную нерадиативную рекомбинацию. По сравнению с эксфолированными объемными (BA)₂(MA)ₙ₋₁PbₙI₃ₙ₊₁ кристаллами (τ < 10 нс), наши коллоидные QD демонстрируют значительно продленные радиативные времена жизни, подчеркивая эффективность 2D архитектуры в подавлении ловушково-медированного распада.
Заключение
Демонстрирован масштабируемый, комнатнотемпературный, одностадийный синтез высоколюминесцентных 10-нм 2D RP перовскитных QD. Корректируя отношение MA/галоген, запрещенную зону можно настроить для получения эмиссии по всему видимому спектру (410–523 нм для Br серии, 527–761 нм для I серии). Br серия достигает рекордного PLQY 48,6 %, превосходя обычные 3D перовскитные QD при превосходной термической и химической стабильности. Выраженный квантовый замыкающий эффект и сниженные ловушечные состояния, присущие 2D структуре, пролагают путь для робастных растворимых перовскитных устройств в СД, фотодетекторах и фотоэлектрических ячейках.
Методы
Используемые химикаты
Бромид свинца(II) (≥ 98 %), йодид свинца(II) (≥ 99 %), раствор метиламина (33 масс.% в этаноле), n-бутиламин (≥ 99,5 %), бромоводородная кислота (48 %), йодоводородная кислота (57 масс.% водный), октиламин (≥ 99 %), олеиновая кислота (SLR grade), N,N-диметилформамид (≥ 99,8 %) и толуол (HPLC grade) приобрели у Acros, Fisher, Alfa Aesar и Macron и использовали без дополнительной очистки.
Синтез алкиламмониевых галогенидов
Бутиламмоний бромид (BABr), метиламмоний бромид (MABr), бутиламмоний йодид (BAI) и метиламмоний йодид (MAI) готовили реакцией HBr или HI (молярное соотношение 1,1:1) с бутиламином или метиламином в этаноле. Реакционную смесь перемешивали 2 ч при 0 °C, затем испаряли растворитель, продукт вымывали диэтиловой эфиром, фильтровали и сушили при 60 °C в вакууме. Полученные кристаллы хранили под аргоном и переносили в перчаточный бокс для последующего использования.
Синтез 2D-слоистых нанокристаллов (NC)
Все синтезы проводили при комнатной температуре в атмосферных условиях. Для заданного n, BAX, MAX и PbX₂ (X = Br или I) смешивали в молярном соотношении 2:n−1:3n+1 и растворяли в DMF для формирования 0,04 мМ раствора PbX₂. Добавляли OA (0,5 мл) и OLA (0,05 мл), затем 100 мкл этого прекурсора вводили в 10 мл толуола под интенсивным перемешиванием для выпадения 2D NC. Детальные композиции показаны на рис. 1b.
Характеризация
Морфологию и кристаллическую структуру изучали TEM (JEOL 2100F, 200 кВ) и HRTEM (HITACHI HT7700, 120 кВ). XRD-спектры записывали на Rigaku Miniflex 600. Фотолюминесцентные спектры измеряли на флуоресцентном спектрофотометре HITACHI F-4500. PLQY определяли в толуене с использованием C-102 и DCJTB как стандартов (QY = 0,76 и 0,78 соответственно). Временнозависимая фотолюминесценция (TRPL) собирали на системе PicoQuant FluoTime 300 TCSPC, возбуждая при 375 нм и 466 нм с 70 пс импульсами, 90 мкВт мощностью и 4 МГц частотой повторения.
Аббревиатуры
- (BA)₂(MA)ₙ₋₁PbₙBr₃ₙ₊₁
- Br серия
- (BA)₂(MA)ₙ₋₁PbₙI₃ₙ₊₁
- I серия
- 2D
- Двумерный
- 3D
- Трехмерный
- BA
- 1-Бутиламмоний
- BAX
- Бутиламмоний галоген
- CB
- Хлорбензен
- DMF
- Диметилформамид
- FWHM
- Полная ширина на полувысоте
- HRTEM
- Высокоразрешающая TEM
- MA
- Метиламмоний
- MAX
- Метиламмоний галоген
- OA
- Олеиновая кислота
- OLA
- Октиламин
- PL
- Фотолюминесценция
- PLQYs
- Квантовые выходы фотолюминесценции
- QDs
- Квантовые точки
- RP
- Раддлсден-Поппер
- TEM
- Передаточная электронная микроскопия
- TRPL
- Временнозависимая ПЛ спектроскопия
- XRD
- Рентгеновская дифракция
Наноматериалы
- Эффективный синтез и оптическая характеристика субмикронных нанокристаллов и наностержней селена
- Быстрый микроволновый синтез пиридино-богатых N,S-ко-допированных углеродных квантовых точек с высокой фотот…
- Одностадийный синтез цветово-регулируемых, проводимых CuS-покрытых CuSCN композитов
- Высокопроизводительные гибкие прозрачные электроды из серебряных нанопроводов с адаптированными соотношен…
- Экологичная síntesis InP/ZnS core/shell квантовых точек для высокопроизводительных безглынистых СВЕТодиодов
- Водорастворимые квантовые точки сульфида сурьмы: эффективный синтез и выдающиеся фотоэлектрические свойств…
- Легко синтезируемые червоточинообразные мезопористые SnO₂ через испарение-индуцированную самоорганизацию: п…
- Экологичные нанопроводники Co₃O₄ с графеном: высокопроизводительный анод для литий-ионных батарей
- Эффективный одношаговый фото-ультразвуковой синтез rGO/Ag₃PO₄ квантово-точечных композитов для усиленного видим…
- GeSiSn тонкие пленки с наноостровами: деформация-драйв морфология, контроль суперструктуры и средне-IR фоtoluminescenc…