面向宽色域背光显示的稳定高效钙钛矿发光材料的制备及性能研究

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无论是过去的农耕文明还是如今的信息时代,照明与显示始终是人们生活的重要组成部分,而随着人们生活品质的提高,也对照明与显示技术提出了更高的要求。在这种情况下,传统的半导体材料逐渐无法满足需求,因此,具有优异光电性能的卤化铅钙钛矿材料逐渐进入研究人员的视野。以全无机卤化铅钙钛矿材料CsPbX3(X=Cl,Br,I)量子点为例,作为直接带隙半导体材料,具有高量子产率(PLQY几乎可达100%)和极窄的半峰宽(FWHM=12-40 nm,甚至优于传统量子点),通过卤族元素调整可在整个可见光谱范围内进行调谐,且合成简单成本低廉,因此被认为是可应用于下一代照明与显示设备的极具发展前景的候选材料。然而,由于CsPbX3量子点本身的离子特性和较大的表面能,使其在水分、氧气、光辐射和加热条件下稳定性较差,很容易发生相变甚至分解。此外,由缺陷引起的阴离子交换效应也会导致显示颜色的不均匀和偏移,这些都成为限制钙钛矿材料进一步应用的关键瓶颈。本论文首先通过热注射法将CsPbBr3量子点封装在介孔SiO2微球中(Mesoporous SiO2 nanospheres,MSNs),初步改善了其稳定性。随后,利用新颖的无溶剂高温熔融法在介孔SiO2微球中原位合成了具有优异光电性能的CsPbBr3量子点,通过精细的多阶高温调控,确保CsPbBr3量子点在介孔SiO2微球内部限制生长,随后通过温度调节实现氧化硅表面闭孔,促使钙钛矿稳定性进一步大幅提升,此外,基于该方法所制备的高稳定的绿色荧光粉成功组装了宽色域的LCD(Liquid Crystal Display)背光源。最终,在此基础上利用聚二甲基硅氧烷(PDMS)作为保护基质,成功制备了光学性质有益的复合发光薄膜,并实现了稳定性的进一步提升。具体内容如下:(1)通过热注射法在介孔SiO2微球内原位生成CsPbBr3量子点,将其保护在化学性质稳定的SiO2微球内部,从而提高了 CsPbBr3量子点的稳定性。所制备的SiO2-CsPbBr3量子点的发射波长为523 nm,半峰宽为18.05 nm,平均荧光寿命为12.65 ns,在100℃加热条件下加热60分钟后,其荧光强度保持率达到50.6%,此外,在水中浸泡1分钟后其荧光强度也能保持在初始强度的54.9%。(2)提出了一种新颖的高温熔融法,在无溶剂条件下使CsPbBr3量子点在密闭的介孔SiO2微球中原位结晶,以调节其尺寸分布,钝化其表面缺陷,从而进一步提升CsPbBr3量子点的稳定性。所制备的SCP@MSNs(Spatial Confined Perovskite@MSNs)荧光粉的发射峰位于516 nm,半峰宽为18.4 nm,平均荧光寿命达到48.17 ns,即使分别在0.1M HCl和0.1M NaOH的溶液中浸泡60天后,其荧光强度保持率仍然能分别达到98%以上,经过40℃-160℃的冷热循环后其荧光强度也能保持在初始强度的92.2%。此外,由SCP@MSNs绿色荧光粉,红色CdSe基量子点和蓝光GaN芯片组合制成的LCD背光源,其色域分别可以覆盖NTSC标准和Rec.2020标准色域的124%和95.6%。(3)将聚二甲基硅氧烷(PDMS)与SCP@MSNs绿色荧光粉结合,制备了稳定且高亮度的均匀发光薄膜,利用聚合物基质和无机SiO2的双重保护,极大地提高了 CsPbBr3量子点的稳定性,尤其是热稳定性。所制备的SCP@MSNs-PDMS薄膜的发射峰位于516 nm,半峰宽为19.2 nm,平均荧光寿命为58.85 ns,荧光量子产率为81.56%,此外,在60℃、100℃、150℃和200℃的连续加热-冷却循环测试中,展现出超强的热稳定性,并且在50℃90%湿度条件和连续的蓝光照射下,其发光光谱和荧光强度保持稳定。
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