[發明專利]一種金屬元素和有機物協同作用來得到穩定CsBX3

在審

• 申請號: 202110338090.5
• 申請日: 2021-03-30
• 公開（公告）號: CN113072938A
• 公開（公告）日: 2021-07-06
• 發明（設計）人: 隋曼齡;胡敬聰;盧岳;畢成浩;田博海
• 申請（專利權）人: 北京工業大學
• 主分類號: C09K11/66
• 分類號: C09K11/66
• 代理公司: 北京思海天達知識產權代理有限公司 11203
• 代理人: 沈波

本發明公開了一種金屬元素和有機物協同作用來得到穩定CsBX3鈣鈦礦方法，利用Goldschmidt容忍因子公式來調節CsBX₃鈣鈦礦結構的穩定性，其中r(A)、r(B)、r(X)分別為A、B、X三種離子的半徑。利用小離子半徑的金屬離子摻雜從而改變CsBX₃鈣鈦礦晶胞參數，進而改善CsBX3鈣鈦礦材料發光特性、材料穩定性、材料微結構形貌以及材料的能帶結構、載流子遷移率和載流子壽命等，進而提高鈣鈦礦材料性能。將上述兩種策略結合起來，本發明省時省力、成本低廉、效果顯著，具備制備高質量高穩定性鈣鈦礦材料并工業化生產的潛質，所得到的鈣鈦礦材料可以應用于發光二極管、鈣鈦礦太陽能電池、激光器、光電探測器、光敏二極管、薄膜晶體管等光電、鐵電、壓電功能器件領域。

技術領域

本發明屬于光電材料與器件領域，具體涉及一種通過在鈣鈦礦CsBX₃內部摻雜金屬陽離子和有機物配體來獲得一種具有優異性能新結構的方法。

背景技術

目前，電氣照明約占全球功耗的19％，因此采用高效，低成本的照明技術非常重要。然而傳統的照明技術，例如白熾燈和節能燈因為其能量利用率低，造成大量電力資源損失正在逐漸被人們淘汰。與此同時，LED(light emitting diode)發光二極管技術，作為一種新型的照明技術，因為其能耗低、壽命長、熱量小、電壓低、堅固耐用等優點被廣泛應用在各個領域。因此，開發高效率，低功耗，低成本的LED是緩解當前能源危機的有效手段。鈣鈦礦材料由于具有發光波長寬、發光線寬窄、熒光量子產率高、色域寬、合成溫度低、載流子遷移率高等諸多優點在LED發光領域已經開展了很多研究，特別是鈣鈦礦紅光和綠光的效率均已經突破20％，已經達到應用標準，然而穩定性還遠遠不夠商用標準，有待于進一步提高。并且除了紅光和綠光外，鈣鈦礦在其他顏色的光的效率都比較低，大多都在6％以下。

在鈣鈦礦ABX₃結構中，將含有有機成分的A位全部替換為無機陽離子Cs⁺可以在一定程度上提高晶體結構的穩定性，從而提高鈣鈦礦材料和器件的穩定性。此外，引入適當的配體封端鈣鈦礦的表面從而鈍化晶界晶面是十分必要的。合適的表面配體封端不僅可以減少表面缺陷，提高鈣鈦礦材料的壽命，還可以抑制水氧引起的表面分解，并且使用鈍化策略還可以有效地改善器件性能。Bi等人通過與短鏈配體2-氨基乙硫醇(AET)進行部分配體交換來代替原始溶液，證明了一種有效改善溶液和薄膜中CsPbI₃鈣鈦礦量子點(QDs)穩定性的表面工程策略，從而在顆粒周圍形成緊密的配體屏障，這防止了水分子的滲透并因此防止了膜的降解。除了將A位有機物替換的方式可以提高穩定外，在B位摻雜小離子半徑的金屬陽離子依然可以改善結構穩定性和材料穩定性。容差因子(t)是Goldschmidt在1920年代初提出的規則，用于理解和量化化學物種的哪些組合可以形成鈣鈦礦結構。R_A，R_B和R_X分別是ABX₃鈣鈦礦的A，B和X位的離子的離子半徑。當容忍因子接近于1時，代表鈣鈦礦八面體是一個穩定的結構。對于鹵化鈣鈦礦，公差系數范圍為0.81t1.11。如果t超出此范圍，將不會形成3D鈣鈦礦結構，而是會出現具有較低維連接性的角共享BX₆八面體的多晶型，例如2D層，1D鏈或0D的BX₆八面體簇。這些低維鹵化鉛化合物通常具有較大的帶隙，因此不適合光伏應用。

基于此，我們提出了在鈣鈦礦CsBX₃內部摻雜離子半徑較小的金屬陽離子和有機物配體來獲得一種優異穩定新結構的方法。

發明內容