CN110305660A - 基于甲磺酸阴离子诱导的低缺陷准二维钙钛矿薄膜的制备方法 - Google Patents

Abstract

一种基于甲磺酸阴离子诱导的低缺陷准二维钙钛矿薄膜的制备方法。该方法将甲磺酸(MeS)阴离子引入L₂A_n‑1M_nX_3n+1钙钛矿前体来调节相组成的方法，从而产生更有效的能量传递路径。同时，MeS阴离子实现晶界和表面缺陷钝化，有效抑制非辐射复合。本发明制备的准二维钙钛矿薄膜的激子寿命明显提高，三维钙钛矿晶粒得到明显的增多。通过在准二维金属卤化物钙钛矿前驱液中加入CsMeS来调节钙钛矿相组成，使得三维钙钛矿晶粒数目较传统方法更多的生成，从而产生更有效的能量传递路径。本发明方法使用的CsMeS没有掺入钙钛矿晶格，而是仅仅存在于钙钛矿晶格表面，CsMeS这种材料含有MeS阴离子可以实现准二维钙钛矿晶界和表面缺陷钝化，有效抑制非辐射复合。

Description

基于甲磺酸阴离子诱导的低缺陷准二维钙钛矿薄膜的制备 方法

技术领域

本发明涉及一种钙钛矿薄膜的制备方法，特别是涉及一种准二维金属卤化物钙钛矿薄膜的制备方法，应用于光电材料或半导体材料制备工艺技术领域。

背景技术

准二维金属卤化物钙钛矿具有L₂A_n-1M_nX_3n+1的化学通式，其中L是指大的脂族或芳族烷基铵阳离子，通常可以是苯乙基铵(PEA)、正丁基铵(BA)或者1-萘基甲基铵(NMA)；A通常是Cs，CH₃NH₃ ⁺或HC(NH₂)₂ ⁺，M通常是Pb，X通常是Cl，Br，I。当引入L时，三维金属卤化物钙钛矿(APbX₃)中的无限八面体网络被分离，从而使得夹在两个L阻挡层之间的金属卤化物钙钛矿层拥有不同的厚度。因此，由于量子限制以及介电约束，它将激子结合能增加到数百毫电子伏特。结合了三维的高载流子迁移率金属卤化物钙钛矿和二维金属卤化物钙钛矿的大激子结合能，使它们对电致发光应用非常有吸引力。这些优异的性能赋予这种材料极大的发光二极管潜力。

然而，由于纳米尺度的准二维钙钛矿薄膜的形成过程目前仍有很多无法控制的因素，例如，晶粒的随机空间分布和多相的随机分布，能量转移可能遵循低效的路径，更多的缺陷俘获状态被掺入，而晶粒生长受到大的有机铵阳离子的阻碍，导致更多的非辐射复合。因此，需要研究出一种有效的准二维钙钛矿薄膜的制备技术，能够让薄膜产生一种更有效的能量传递途径的同时，又能实现晶界和表面缺陷钝化，从而有效抑制非辐射复合。

发明内容

为了解决现有技术问题，本发明的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种基于甲磺酸阴离子诱导的低缺陷准二维钙钛矿薄膜的制备技术，通过将甲磺酸(MeS)阴离子引入L₂A_n-1M_nX_3n+1钙钛矿前体来调节相组成的方法，从而产生更有效的能量传递路径。同时，MeS阴离子实现晶界和表面缺陷钝化，有效抑制非辐射复合。通过精确调控MeS阴离子的浓度，本发明制备的准二维钙钛矿薄膜相比于传统方法，薄膜的激子寿命明显提高，三维钙钛矿晶粒得到明显的增多。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于甲磺酸阴离子诱导的低缺陷准二维钙钛矿薄膜的制备方法，其特征在于该方法的具体步骤为：

a.将LX，卤化铅和卤化铯按照0.3：1：1.2到0.6：1：1.2的摩尔比溶于无水二甲基亚砜(DMSO)中，得到二维钙钛矿的前体，然后再加入占总量的质量百分比范围为1wt.％到5wt.％的聚氧化乙烯(PEO)以及适量CsMeS(其中CsMeS与卤化铅的摩尔比范围为4％：1到12％：1)到前体中；在60-100℃加热10分钟，通过0.45μm聚四氟乙烯过滤器过滤，得到准二维金属卤化物钙钛矿前驱体溶液；

b.将步骤a所得准二维金属卤化物钙钛矿前驱体溶液，滴在衬底上并在4000rpm/min的转速下旋涂50秒，在旋涂过程中，将甲苯滴在膜上以获得均匀性和小粒径膜，在衬底表面形成一层钙钛矿前驱体液膜，在40-100℃下对液态膜进行固化并退火处理持续10分钟，从而在衬底表面结合钙钛矿薄膜；

所述的LX为PEACl、PEABr、PEAI、BACl、BABr、BAI、NMACl、NMABr或NMAI中的至少一种。

所述的钙钛矿在衬底表面结合钙钛矿薄膜的厚度在100-400nm之间。

所制备的钙钛矿薄膜的晶粒径范围在40-100nm之间。在紫外灯的照射下，L₂Cs_{n- 1}Pb_nX_3n+1钙钛矿薄膜会根据卤素X的不同而呈现不同的颜色。

本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：

1.本发明通过在准二维金属卤化物钙钛矿前驱液中加入CsMeS来调节钙钛矿相组成，使得三维钙钛矿晶粒数目较传统方法更多的生成，从而产生更有效的能量传递路径。

2.本发明方法使用的CsMeS没有掺入钙钛矿晶格，而是仅仅存在于钙钛矿晶格表面，CsMeS这种材料含有MeS阴离子可以实现准二维钙钛矿晶界和表面缺陷钝化，有效抑制非辐射复合。

附图说明

图1为本发明实施例一制备的CsMeS与PbBr₂不同摩尔比情况下的BA₂Cs_n-1Pb_nBr_3n+1钙钛矿薄膜的光致发光光谱图。

图2为本发明实施例一制备的CsMeS与PbBr₂摩尔比为0％和8％时的BA₂Cs_{n- 1}Pb_nBr_3n+1钙钛矿薄膜在同一紫外灯下的亮度对比图。

图3为本发明实施例一制备的CsMeS与PbBr₂不同摩尔比情况下的BA₂Cs_n-1Pb_nBr_3n+1钙钛矿薄膜的荧光寿命曲线。

具体实施方式

以下结合具体的实施例子对上述方案做进一步说明，本发明的优选实施例详述如下：

实施例一：

在本实施例中，参见图1和图2，一种基于甲磺酸阴离子诱导的低缺陷准二维钙钛矿薄膜的制备技术，包括如下步骤：

a.准二维BA₂Cs_n-1Pb_nBr_3n+1钙钛矿前驱体溶液的制备：

按照0.4：1：1.2的摩尔比称量BABr，PbBr₂和CsBr，将其溶解在无水DMSO中，用作准二维钙钛矿的前体，其中PEO以3wt％加入以改善膜的形态。在此基础上，将CsMeS加入到前体中，其中与PbBr₂的摩尔比分别为0％、6％、8％和10％。然后，在80℃加热10分钟后，通过一步旋涂在基板上制备BA₂Cs_n-1Pb_nBr_3n+1钙钛矿薄膜。在使用之前，将所有前体溶液通过0.45μm聚四氟乙烯过滤器过滤。

b.准二维BA₂Cs_n-1Pb_nBr_3n+1钙钛矿薄膜的制备：

取不少于100ul的在所述步骤a中制备的准二维金属卤化物钙钛矿前驱体溶液，滴在衬底上并在4000rpm/min的转速下旋涂50秒，在旋涂过程中，将抗溶剂(即甲苯)滴在膜上以获得均匀性和小粒径膜，在衬底表面形成一层钙钛矿前驱体液膜，然后将样品转移到烤胶机上进行退货，在80℃下对液态膜进行固化并退火处理持续10分钟，从而在衬底表面结合钙钛矿薄膜。

实验测试分析：

对本实施例方法得到BA₂Cs_n-1Pb_nBr_3n+1钙钛矿薄膜进行光学测试和微观观察，图1为本发明实例制备的CsMeS与PbBr₂不同摩尔比情况下的BA₂Cs_n-1Pb_nBr_3n+1钙钛矿薄膜的光致发光光谱图。从图可知，按照CsMeS与PbBr₂的摩尔比分别为0％、6％、8％和10％的配比，随着CsMeS占比的增加，最终制备的BA₂Cs_n-1Pb_nBr_3n+1钙钛矿薄膜的发光强度呈现先增加后降低的趋势，其中CsMeS与PbBr₂的摩尔比为8％时，强度达到最大。图2为本发明实例制备的CsMeS与PbBr₂摩尔比为0％和8％时的BA₂Cs_n-1Pb_nBr_3n+1钙钛矿薄膜在同一紫外灯下的亮度对比图。从图2可见，不含CsMeS情况下制备的BA₂Cs_n-1Pb_nBr_3n+1钙钛矿薄膜的荧光亮度明显低于含CsMeS情况下制备的BA₂Cs_n-1Pb_nBr_3n+1钙钛矿薄膜。综合图1和图2可以说明加入CsMeS后钙钛矿薄膜内部的能量转移路径此时变得最为有效。图3为本发明实施例一制备的CsMeS与PbBr₂不同摩尔比情况下的BA₂Cs_n-1Pb_nBr_3n+1钙钛矿薄膜的荧光寿命曲线。本实例制备的钙钛矿薄膜的荧光寿命呈现先增加后降低的趋势，其中CsMeS与PbBr₂的摩尔比为8％时，寿命达到最高，图3可以说明加入CsMeS后钙钛矿薄膜内部的缺陷态减少了。在紫外灯的照射下，本实施例方法得到BA₂Cs_n-1Pb_nBr_3n+1钙钛矿薄膜会呈现绿色。

本实施例方法在准二维金属卤化物钙钛矿的前驱液中加入CsMeS不仅可以产生更有效的能量传递路径，有效增强钙钛矿的荧光强度，MeS阴离子更是钝化钙钛矿表面的缺陷，荧光寿命得到显著增强。用于制作发光器件性能能显著提升器件稳定性。本实施例制备的准二维金属卤化物钙钛矿薄膜不仅适合用作光电材料，还能用作半导体材料。

实施例二：

本实施例与实施例一基本相同，特别之处在于：

在本实施例中，一种基于甲磺酸阴离子诱导的低缺陷准二维钙钛矿薄膜的制备技术，包括如下步骤：

a.准二维BA₂Cs_n-1Pb_nCl_3n+1钙钛矿前驱体溶液的制备：

按照0.4：1：1.2的摩尔比称量BACl，PbCl₂和CsCl，将其溶解在无水DMSO中，用作准二维钙钛矿的前体，其中PEO以3wt％加入以改善膜的形态。在此基础上，将CsMeS加入到前体中，其中与PbCl₂的摩尔比分别为0％、6％、8％和10％。然后，在80℃加热10分钟后，通过一步旋涂在基板上制备BA₂Cs_n-1Pb_nCl_3n+1钙钛矿薄膜。在使用之前，将所有前体溶液通过0.45μm聚四氟乙烯过滤器过滤。

b.准二维BA₂Cs_n-1Pb_nCl_3n+1钙钛矿薄膜的制备：

取不少于100ul的在所述步骤a中制备的准二维金属卤化物钙钛矿前驱体溶液，滴在衬底上并在4000rpm/min的转速下旋涂50秒，在旋涂过程中，将抗溶剂(即甲苯)滴在膜上以获得均匀性和小粒径膜，在衬底表面形成一层钙钛矿前驱体液膜，然后将样品转移到烤胶机上进行退货，在80℃下对液态膜进行固化并退火处理持续10分钟，从而在衬底表面结合钙钛矿薄膜。

实验测试分析：

对本实施例方法得到BA₂Cs_n-1Pb_nCl_3n+1钙钛矿薄膜进行光学测试和微观观察，按照所加的CsMeS与PbCl₂的摩尔比分别为0％、6％、8％和10％，随着CsMeS占比的增加，最终制备的BA₂Cs_n-1Pb_nCl_3n+1钙钛矿薄膜的发光强度呈现先增加后降低的趋势，其中CsMeS与PbCl₂的摩尔比为8％时，强度达到最大。不含CsMeS情况下制备的BA₂Cs_n-1Pb_nCl_3n+1钙钛矿薄膜的荧光亮度明显低于含CsMeS情况下制备的BA₂Cs_n-1Pb_nCl_3n+1钙钛矿薄膜。说明加入CsMeS后钙钛矿薄膜内部的能量转移路径此时变得最为有效。本实例制备的钙钛矿薄膜的荧光寿命呈现先增加后降低的趋势，其中CsMeS与PbCl₂的摩尔比为8％时，寿命达到最高，说明加入CsMeS后钙钛矿薄膜内部的缺陷态减少了。在紫外灯的照射下，本实施例方法得到BA₂Cs_{n- 1}Pb_nCl_3n+1钙钛矿薄膜会呈现蓝色。

本实施例方法在准二维金属卤化物钙钛矿的前驱液中加入CsMeS不仅可以产生更有效的能量传递路径，有效增强钙钛矿的荧光强度，MeS阴离子更是钝化钙钛矿表面的缺陷，荧光寿命得到显著增强。用于制作发光器件性能能显著提升器件稳定性。本实施例制备的准二维金属卤化物钙钛矿薄膜不仅适合用作光电材料，还能用作半导体材料。

实施例三：

本实施例与前述实施基本相同，特别之处在于：

在本实施例中，一种基于甲磺酸阴离子诱导的低缺陷准二维钙钛矿薄膜的制备技术，包括如下步骤：

a.准二维BA₂Cs_n-1Pb_nI_3n+1钙钛矿前驱体溶液的制备：

按照0.4：1：1.2的摩尔比称量BAI，PbI₂和CsI，将其溶解在无水DMSO中，用作准二维钙钛矿的前体，其中PEO以3wt％加入以改善膜的形态。在此基础上，将CsMeS加入到前体中，其中与PbI₂的摩尔比分别为0％、6％、8％和10％。然后，在80℃加热10分钟后，通过一步旋涂在基板上制备BA₂Cs_n-1Pb_nI_3n+1钙钛矿薄膜。在使用之前，将所有前体溶液通过0.45μm聚四氟乙烯过滤器过滤。

b.准二维BA₂Cs_n-1Pb_nI_3n+1钙钛矿薄膜的制备：

取不少于100ul的在所述步骤a中制备的准二维金属卤化物钙钛矿前驱体溶液，滴在衬底上并在4000rpm/min的转速下旋涂50秒，在旋涂过程中，将抗溶剂(即甲苯)滴在膜上以获得均匀性和小粒径膜，在衬底表面形成一层钙钛矿前驱体液膜，然后将样品转移到烤胶机上进行退货，在80℃下对液态膜进行固化并退火处理持续10分钟，从而在衬底表面结合钙钛矿薄膜。

实验测试分析：

对本实施例方法得到BA₂Cs_n-1Pb_nI_3n+1钙钛矿薄膜进行光学测试和微观观察，按照所加的CsMeS与PbI₂的摩尔比分别为0％、6％、8％和10％，随着CsMeS占比的增加，最终制备的BA₂Cs_n-1Pb_nI_3n+1钙钛矿薄膜的发光强度呈现先增加后降低的趋势，其中CsMeS与PbI₂的摩尔比为8％时，强度达到最大。不含CsMeS情况下制备的BA₂Cs_n-1Pb_nI_3n+1钙钛矿薄膜的荧光亮度明显低于含CsMeS情况下制备的BA₂Cs_n-1Pb_nI_3n+1钙钛矿薄膜。说明加入CsMeS后钙钛矿薄膜内部的能量转移路径此时变得最为有效。本实例制备的钙钛矿薄膜的荧光寿命呈现先增加后降低的趋势，其中CsMeS与PbI₂的摩尔比为8％时，寿命达到最高，说明加入CsMeS后钙钛矿薄膜内部的缺陷态减少了。在紫外灯的照射下，本实施例方法得到BA₂Cs_n-1Pb_nI_3n+1钙钛矿薄膜会呈现红色。

上面对本发明实施例结合附图进行了说明，但本发明不限于上述实施例，还可以根据本发明的发明创造的目的做出多种变化，凡依据本发明技术方案的精神实质和原理下做的改变、修饰、替代、组合或简化，均应为等效的置换方式，只要符合本发明的发明目的，只要不背离本发明准二维金属卤化物钙钛矿薄膜的制备技术原理，都属于本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种基于甲磺酸阴离子诱导的低缺陷准二维钙钛矿薄膜的制备方法，其特征在于该方法的具体步骤为：

a.将LX，卤化铅和卤化铯按照0.3：1：1.2到0.6：1：1.2的摩尔比溶于无水二甲基亚砜(DMSO)中，得到二维钙钛矿的前体，然后再加入占总量的质量百分比范围为1wt.％到5wt.％的聚氧化乙烯(PEO)以及适量CsMeS(其中CsMeS与卤化铅的摩尔比范围为4％：1到12％：1)到前体中；在60-100℃加热10分钟，通过0.45μm聚四氟乙烯过滤器过滤，得到准二维金属卤化物钙钛矿前驱体溶液；

b.将步骤a所得准二维金属卤化物钙钛矿前驱体溶液，滴在衬底上并在4000rpm/min的转速下旋涂50秒，在旋涂过程中，将甲苯滴在膜上以获得均匀性和小粒径膜，在衬底表面形成一层钙钛矿前驱体液膜，在40-100℃下对液态膜进行固化并退火处理持续10分钟，从而在衬底表面结合钙钛矿薄膜；

所述的LX为PEACl、PEABr、PEAI、BACl、BABr、BAI、NMACl、NMABr或NMAI中的至少一种。

所述的钙钛矿在衬底表面结合钙钛矿薄膜的厚度在100-400nm之间。