CN110684528A - 一种基于离子束辐照提高钙钛矿量子点稳定性的方法 - Google Patents

一种基于离子束辐照提高钙钛矿量子点稳定性的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及材料技术的技术领域，具体涉及一种基于离子束辐照提高钙钛矿量子点稳定性的方法，包括以下步骤：(1)制备CsPbX3钙钛矿量子点溶液；(2)将所述步骤(1)制备的CsPbX3钙钛矿量子点溶液涂覆在衬底表面，晾干；(3)在室温下采用离子束对CsPbX3钙钛矿量子点进行辐照。本发明的方法通过离子辐照将量子点周围的配体铰链在一起，实现量子点在固体材料衬底表面稳定存在；可以帮助实现钙钛矿量子点与现存硅基半导体技术相兼容，有望提高其实际应用前景。

Description

一种基于离子束辐照提高钙钛矿量子点稳定性的方法
技术领域
本发明涉及材料技术的技术领域，具体涉及一种基于离子束辐照提高钙钛矿量子点稳定性的方法。
背景技术
全无机CsPbX3(X＝Cl，Br，I)钙钛矿量子点是一类拥有优异发光性能的纳米材料，具有优异的发光性能，包括高的荧光量子产率(PLQY＞90％)，窄的发射半高宽(FWHM＜20nm)，低生产成本，宽阔的色谱调节范围和色域等。如此可用它们作为光电探测器，太阳能电池，发光二极管(LED)，激光器等光电子器件。然而，CsPbX3(X＝Cl，Br，I)钙钛矿量子点也面临一个很大的问题，在大气环境下容易受湿度，紫外线，热量等而导致其性能退化。此外钙钛矿量子点也很难脱离其胶体状态，而在普通固体衬底的表面稳定存在。这些问题极大的限制了它们的实际应用。因此，克服钙钛矿量子点的不稳定问题，同时可以让其在常见的衬底，如石英片等表面稳定存在，是一个亟待解决的问题。
胶体钙钛矿量子点CsPbX3的表面存在有机配体，采用高能射线将这些配体铰链在一起，引起这些配体间的碳碳键杂化，可以有效保护钙钛矿量子点性能的退化。离子束技术，作为一种传统而且发展成熟的工艺，在很长一段时间内被用于材料合成与改性研究，不仅与现存的硅基半导体器件工艺相兼容，而且在大规模集成电路生产中起到关键作用，是一种大面积的生产技术。将胶体钙钛矿量子点涂在晶片表面，采用离子束技术，通过控制离子束辐照的能量和剂量，精确地调控离子束在晶片表面的辐照情况，引起量子点周围配体之间的铰链，有利于提高钙钛矿量子点的稳定性。采用该技术，还可以使钙钛矿量子点脱离其溶液状态，从名义上来说，可以不受衬底的材质和大小限制，在任何固体衬底表面稳定存在。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于离子束辐照提高钙钛矿量子点稳定性的方法，通过离子束辐照技术提高钙钛矿量子点在常见衬底上存在的稳定性。
本发明实现目的所采用的方案是：一种基于离子束辐照提高钙钛矿量子点稳定性的方法，包括以下步骤：
(1)制备CsPbX3钙钛矿量子点溶液；
(2)将所述步骤(1)制备的CsPbX3钙钛矿量子点溶液涂覆在衬底表面，晾干；
(3)采用离子束对CsPbX3钙钛矿量子点进行辐照。
使用离子束辐照，使量子点表面的配体之间或量子点与周围产生铰链，进而实现钙钛矿量子点在固体材料衬底表面稳定地存在。该石英表面的钙钛矿量子点放置在空气中停滞约5个月之后发光强度仍然很高。
优选地，所述步骤(1)中，制备CsPbX3钙钛矿量子点溶液的具体步骤为：
(1.1)在大气环境下，将碳酸铯加进油酸、辛烷的混合液中，120℃加热后溶解得到Cs前驱体溶液；
(1.2)在大气环境下，将卤化铅加进油酸、油胺、辛烷的混合液中，120℃加热后溶解得到Pb前驱体溶液；
(1.3)将所述步骤(1.1)的Cs前驱体溶液加入所述步骤(1.2)的Pb前驱体溶液中，在90℃下反应完全，得混合溶液；
(1.4)将所述步骤(1.3)得到的混合溶液离心，将沉淀溶解于正己烷中，即得到所述CsPbX3的量子点溶液。
优选地，所述步骤(1.1)中，碳酸铯、油酸、辛烷的用量比为：1:2.5:50(mmol：mL：mL)；所述步骤(1.2)中，卤化铅、油酸、油胺、辛烷的用量比为：3:2.5:5:50(mmol：mL：mL：mL)；所述步骤(1.3)中，碳酸铯与卤化铅的物质的量比为1:3，所述步骤(1.4)中，CsPbX3的量子点溶液的浓度为1.2-1.5mol/L。
这种方法可以实现较低温度下空气环境中，得到质量较好的CsPbBr3量子点。
优选地，所述步骤(2)中，衬底为玻璃衬底或由柔性有机材料制备的衬底。
优选地，所述步骤(3)中，进行辐照的离子源为单一的He+或Ar+。
对衬底表面的钙钛矿量子点进行辐照的离子是，经过质量选择器选择的某种惰性气体的单一离子，具体种类为He+或者Ar+离子惰性气体离子，辐照后有助于量子点铰链性能可控，且惰性气体离子不引起辐照离子与量子点的化学反应。
优选地，所述步骤(3)中，利用离子注入机将能量为10-150keV的能量，剂量为1×1012-2×1016ions/cm2的离子对衬底表面的CsPbX3钙钛矿量子点进行辐照。
对衬底表面的钙钛矿量子点进行辐照的离子是，通过调控离子注入机的吸极电压，进而调控注入离子的能量，不同的离子注入能量可以影响离子的辐照深度，达到可控地铰链固体衬底内部不同深度处的量子点。
进一步的，作为优选，在离子注入设备中，在室温环境下对胶体量子点进行辐照，有助于保护量子点避免在注入期间就受热分解，提高钙钛矿量子点的稳定性。
优选地，所述步骤(3)中，辐照过程中采用沿X轴方向和Y轴方向对CsPbX3钙钛矿量子点进行扫描辐照。
对衬底表面的钙钛矿量子点进行辐照的离子是，经过X-和Y-轴进行扫描的、可以均匀辐照样品表面，有助于大面积均匀地铰链量子点。
优选地，所述步骤(2)还可以采用以下方法：将所述步骤(1)制备的CsPbX3钙钛矿量子点溶液和溶于有机溶剂的透明高分子材料的溶液混和，再制得混合有CsPbX3钙钛矿量子点的透明薄膜。
优选地，将所述步骤(1)制备的CsPbX3钙钛矿量子点溶液和溶于有机溶剂的PMMA的溶液按照体积比1:1混和，再制得混合有CsPbX3钙钛矿量子点的PMMA透明薄膜，PMMA的有机溶剂溶液浓度为0.16-0.18g/mL。
本发明具有以下优点和有益效果：(1)通过离子辐照将量子点周围的配体铰链在一起，实现量子点在衬底表面稳定存在；(2)可以帮助实现钙钛矿量子点与现存硅基半导体技术相兼容，有望提高其实际应用前景。
附图说明
图1为本发明CsPbX3量子点进行离子辐照的示意图；
图2为本发明实施例1中5个月后的石英玻璃衬底表面量子点的光学显微镜图；
图3为本发明实施例2中5个月后的石英玻璃衬底表面量子点的光学显微镜图；
图4为本发明实施例1中5个月后的石英玻璃衬底表面量子点的荧光光谱图；
图5为本发明实施例2中5个月后的石英玻璃衬底表面量子点的荧光光谱图。
具体实施方式
为更好的理解本发明，下面的实施例是对本发明的进一步说明，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。
实施例1
(1)将0.0325g碳酸铯,放入混有0.25mL油酸、5mL辛烷的50mL烧瓶中，在120℃的油浴中加热后溶解得到Cs前驱体溶液。
(2)将0.3mmol溴化铅放入混有0.25mL油酸、0.5mL油胺、5mL辛烷的50mL烧瓶中，在120℃的油浴中加热后溶解得到Pb前驱体溶液。然后加入步骤(1)中得到的Cs前驱体溶液中，移置90℃下加热15min后，得混合溶液。
(3)将步骤(2)得到的混合溶液12000rpm离心，将沉淀溶解于1.4mL正己烷中溶解，即得到CsPbBr3的量子点溶液。
(4)将制备的CsPbBr3量子点溶液涂覆在石英玻璃表面，等其自然晾干。
利用离子注入机将能量为50keV的能量，剂量为2×1016ions/cm2的离子对衬底表面的钙钛矿量子点进行辐照。使量子点表面的配体之间产生铰链，进而实现钙钛矿量子点在固体材料衬底表面稳定地存在。图2为本实施例中5个月后的石英衬底表面量子点的光学显微镜图，图3为本实施例中5个月后的石英衬底表面量子点的荧光光谱图，由图中可以看出，该石英表面的钙钛矿量子点放置在空气中停滞约5个月之后发光强度仍然很高。
实施例2
(1)将0.0325g碳酸铯放入混有0.25mL油酸、5mL辛烷的50mL烧瓶中，在120℃的油浴中加热后溶解得到Cs前驱体溶液。
(2)将0.3mmol溴化铅放入混有0.25mL油酸、0.5mL油胺、5mL辛烷的50mL烧瓶中，在120℃的油浴中加热后溶解得到Pb前驱体溶液。然后加入步骤(1)中得到的前驱体溶液，移置90℃下加热15min后，得混合溶液。
(3)将步骤(2)得到的混合溶液12000rpm离心，将沉淀溶解于1.4ml正己烷中溶解，即得到CsPbBr3的量子点溶液。
(4)将制备的CsPbBr3量子点涂覆在石英玻璃表面，等其自然晾干。
利用离子注入机将能量为150keV的能量，剂量为2×1016ions/cm2的离子对衬底表面的钙钛矿量子点进行辐照。使量子点表面的配体之间产生铰链，进而实现钙钛矿量子点在固体材料衬底表面稳定地存在。图3为本实施例中5个月后的石英衬底表面量子点的光学显微镜图，图4为本实施例中5个月后的石英衬底表面量子点的荧光光谱图，由图中可以看出该石英表面的钙钛矿量子点放置在空气中停滞约5个月之后发光强度仍然很高。
实施例3
(1)将0.0325g碳酸铯放入混有0.25mL油酸、5mL辛烷的50mL烧瓶中，在120℃的油浴中加热后溶解得到Cs前驱体溶液。
(2)将0.3mmol溴化铅放入混有0.25mL油酸、0.5mL油胺、5mL辛烷的50mL烧瓶中，在120℃的油浴中加热后溶解得到Pb前驱体溶液。然后加入步骤(1)中得到的前驱体溶液，移置90℃下加热15min后，得混合溶液，待用。
(3)将步骤(2)得到的混合溶液12000rpm离心，将沉淀溶解于1.4ml正己烷中溶解，即得到CsPbBr3的量子点溶液。
(4)将1g聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)溶于6mL四氢呋喃，成胶状，待用。
(5)按照体积比1:1，将胶体量子点溶液滴入胶状PMMA中，得到混合了CsPbBr3的钙钛矿量子点的PMMA，等其自然晾干，形成PMMA包覆的钙钛矿量子点CsPbBr3@PMMA。
利用离子注入机将能量为10-150keV的能量，剂量为1×1012-2×1016ions/cm2的离子对柔性衬底包覆的钙钛矿量子点进行均匀的扫描辐照。使柔性衬底表面的量子点和柔性衬底包覆的体内量子点，它们的表面配体之间或者量子点与周围胶体产生铰链，进而实现钙钛矿量子点在固体材料衬底表面稳定地存在。该石英表面的钙钛矿量子点放置在空气中停滞约5个月之后发光强度仍然很高。
以上所述是本发明的优选实施方式而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和变动，这些改进和变动也视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于离子束辐照提高钙钛矿量子点稳定性的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)制备CsPbX3钙钛矿量子点溶液；
(2)将所述步骤(1)制备的CsPbX3钙钛矿量子点溶液涂覆在衬底表面，晾干；
(3)在室温下采用离子束对CsPbX3钙钛矿量子点进行辐照。
2.根据权利要求1所述的基于离子束辐照提高钙钛矿量子点稳定性的方法，其特征在于：所述步骤(1)中，制备CsPbX3钙钛矿量子点溶液的具体步骤为：(1.1)在大气环境下，将碳酸铯加进油酸、辛烷的混合液中，120℃加热后溶解得到Cs前驱体溶液；
(1.2)在大气环境下，将卤化铅加进油酸、油胺、辛烷的混合液中，120℃加热后溶解得到Pb前驱体溶液；
(1.3)将所述步骤(1.1)的Cs前驱体溶液加入所述步骤(1.2)的Pb前驱体溶液中，在90℃下反应完全，得混合溶液；
(1.4)将所述步骤(1.3)得到的混合溶液离心，将沉淀溶解于正己烷中，即得到所述CsPbX3的量子点溶液。
3.根据权利要求2所述的基于离子束辐照提高钙钛矿量子点稳定性的方法，其特征在于：所述步骤(1.1)中，碳酸铯、油酸、辛烷的用量比为：1:2.5:50(mmol：mL：mL)；所述步骤(1.2)中，卤化铅、油酸、油胺、辛烷的用量比为：3:2.5:5:50(mmol：mL：mL：mL)；所述步骤(1.3)中，碳酸铯与卤化铅的物质的量比为1:3，所述步骤(1.4)中，CsPbX3的量子点溶液的浓度为1.2-1.5mol/L。
4.根据权利要求1所述的基于离子束辐照提高钙钛矿量子点稳定性的方法，其特征在于：所述步骤(2)中，衬底为玻璃衬底或由柔性有机材料制备的衬底。
5.根据权利要求1所述的基于离子束辐照提高钙钛矿量子点稳定性的方法，其特征在于：所述步骤(3)中，进行辐照的离子源为单一的He+或Ar+。
6.根据权利要求1所述的基于离子束辐照提高钙钛矿量子点稳定性的方法，其特征在于：所述步骤(3)中，利用离子注入机将能量为10-150keV的能量，剂量为1×1012-2×1016ions/cm2的离子对衬底表面的CsPbX3钙钛矿量子点进行辐照。
7.根据权利要求1所述的基于离子束辐照提高钙钛矿量子点稳定性的方法，其特征在于：所述步骤(3)中，辐照过程中采用沿X轴方向和Y轴方向对CsPbX3钙钛矿量子点进行扫描辐照。
8.根据权利要求1所述的基于离子束辐照提高钙钛矿量子点稳定性的方法，其特征在于：所述步骤(2)还可以采用以下方法：将所述步骤(1)制备的CsPbX3钙钛矿量子点溶液和溶于有机溶剂的透明高分子材料的溶液混和，再制得混合有CsPbX3钙钛矿量子点的透明薄膜。
9.根据权利要求8所述的基于离子束辐照提高钙钛矿量子点稳定性的方法，其特征在于：将所述步骤(1)制备的CsPbX3钙钛矿量子点溶液和溶于有机溶剂的PMMA的溶液按照体积比1:1混和，再制得混合有CsPbX3钙钛矿量子点的PMMA透明薄膜，PMMA的有机溶剂溶液浓度为0.16-0.18g/mL。
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