锰掺杂全无机钙钛矿量子点及其暖白光LED发光性质研究

All-inorganic perovskite quantum dot warm white LEDs have promising applications in solid state lighting. Replacement of the poorly stabilized red-emitting iodine perovskite nanocrystals by the high efficient Mn-doped perovskite quantum dots is the key to optimize low luminous properties of perovskite quantum dot white LEDs at present. In our project, we will systematically synthesize the Mn-doped perovskite quantum dots, understand the relationship between doping concentration, position and other factors with the photoluminescence spectra and efficiency of the quantum dots. The effects of doping structure, surface modification and high temperature heat treatment on the energy transfer (between the exciton in perovskite and the Mn2+ ions) and exciton relaxation processes will be analyzed by steady-state and time-resolved spectroscopy to reveal the mechanism of photoluminescence and thermal quenching, improve the luminous efficiency and thermal stability of quantum dots. High quality white LED can be fabricated by integration of red-emitting Mn-doped perovskite quantum dots with green-emitting bromine perovskite nanocrystals and blue InGaN-LEDs. The interaction between quantum dots, such as energy transfer, will be investigated to understand its impact on the luminous properties of the devices, solve the problem of low properties for quantum dot white LEDs. Researches on these basic physical mechanism will have important scientific significance for the performance improvement and practical application of quantum dot white LEDs.

全无机钙钛矿量子点暖白光LED在固态照明领域具有潜在的应用前景。利用高效红光发射的Mn掺杂钙钛矿量子点取代稳定性差的碘基红光钙钛矿纳米晶是解决目前钙钛矿量子点白光LED发光性能低的关键。本项目拟系统地合成Mn掺杂钙钛矿量子点，理解掺杂离子浓度、位置等因素与量子点的发光光谱、效率之间的关系；利用稳态及时间分辨光谱分析掺杂结构、表面修饰及热处理等对钙钛矿基体内激子与Mn2+离子间的能量传递及激子弛豫过程的影响，揭示其发光及热猝灭机理，改进量子点的发光效率及热稳定性；采用蓝光InGaN-LED激发高性能红光Mn掺杂钙钛矿量子点与绿光溴基钙钛矿纳米晶产生白光，研究量子点间能量传递等相互作用对器件发光性质的影响，制备高效量子点暖白光LED，解决目前基于量子点的白光LED性能低问题。预计上述基础物理问题的研究，将对量子点白光LED的性能改善和实际应用具有重要的科学意义。

Mn掺杂卤化物钙钛矿量子点具有高发光效率和稳定性，有望应用于固态照明白光发光二极管(LED)中。利用金属离子掺杂与表面钝化协同提高Mn离子掺杂钙钛矿量子点发光效率和稳定性是获得高性能量子点白光LED的关键科学问题。在本项工作中，我们制备高效的Mn掺杂CsPbCl3及CsPbCl3-xBrx量子点及其白光LED，并研究了掺杂量子点的发光动力学过程及稳定性。详细内容如下：.通过利用Ni2+、Cd2+离子等对本征及Mn2+掺杂CsPbCl3量子点进行掺杂，提高其发光性能。通过引入NiCl2，大大提高了Mn掺杂CsPbCl3量子点中Mn2+离子的掺杂效率和发光效率，分别最高可达15.25％和70%；发现Co2+离子掺入可钝化量子点表面，提高本征和Mn掺杂CsPbCl3量子点中激子及Mn2+离子发光；使用CdCl2后处理Mn2+:CsPbCl3量子点，首次实现Mn2+离子发光量子产率达到近100%；Rb+离子可以改善Mn:CsPbCl3 量子点的热稳定性。此外，采用阴离子交换法制备了具有不同Br组分的Mn2+:CsPbCl3-xBrx量子点，发现低温条件下CsPbCl3-xBrx中Mn2+离子的发光增强可以用Br组分相关的带边激子弛豫和激子-Mn2+的能量传递过程来解释。.对不同尺寸的Mn:CsPbCl3量子点进行的热退火处理，Mn2+的荧光寿命在热退火温度超过340 K后变短，Mn2+发光的退化是由于高温热处理下粒子长大过程中形成新的非辐射复合中心导致的。通过将量子点嵌入介孔二氧化硅，在量子点表面包覆Cs4PbCl6壳层，或在钙钛矿量子点的B位同时掺入Sn2+离子等方式均可以有效的提高量子点的发光稳定性。此外，本征CsPbCl3钙钛矿量子点薄膜的变温时间分辨光致发光光谱结果表明其发光主要来自于激子局域。.利用InGaN芯片与量子点结合，制备了基于蓝-橙双光发射Mn2+:CsPbCl3-xBrx量子点的暖白光LED，其显色指数超过90，流明效率高达90lm/W。将量子点嵌入聚二甲基硅氧烷（PDMS）中，可抑制光电器件中钙钛矿量子点的生长问题，改善器件的热稳定性。通过CdBr2后处理策略，实现了Mn:CsPbCl3-xBrx量子点近统一的光致发光效率（~97%）。这些结果表明，Mn掺杂卤化物钙钛矿量子点适用于高品质白光LED。