Cs-Pb-Br體系鈣鈦礦材料光學(xué)性能研究進(jìn)展

陳思彤，尹艷艷，尹敏，薛富民，孫齊磊*

(1.山東建筑大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，山東 濟(jì)南250101；2.齊魯工業(yè)大學(xué)(山東省科學(xué)院) 山東省分析測試中心 山東省大型精密分析儀器應(yīng)用技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 濟(jì)南 250014)

十九世紀(jì)三十年代末，最早在俄羅斯發(fā)現(xiàn)一種主要成分為鈦酸鈣(CaTiO3)的礦石，俄羅斯地質(zhì)學(xué)家Lev Perovskite將其命名為鈣鈦礦[1]。早期的鈣鈦礦僅指氧化物型鈣鈦礦，逐漸發(fā)展演變?yōu)榻Y(jié)構(gòu)與CaTiO3相似的一類材料。Cs-Pb-Br體系鈣鈦礦是目前鈣鈦礦材料中熒光性能最優(yōu)的一類材料，其中以CsPbBr3為代表的全無機(jī)鹵化鉛鈣鈦礦材料由于優(yōu)異的光學(xué)特性而備受人們的關(guān)注，其良好的電子光學(xué)性能和耐缺陷性，是高效、低成本的太陽能電池和發(fā)光器件的理想材料[2]。

Cs-Pb-Br三元體系鹵化物鈣鈦礦發(fā)現(xiàn)的時(shí)間最早可追溯到十九世紀(jì)九十年代，Wells[3]首次發(fā)現(xiàn)在Cs-Pb-Br三元體系中存在3種穩(wěn)態(tài)化合物CsPbBr3、CsPb2Br5和Cs4PbBr6,通過改變前驅(qū)體中溴化銫和溴化鉛的比例，可得到Cs-Pb-Br體系中的不同相。CsPbBr3本身具有優(yōu)異的熒光特性，但光穩(wěn)定性差，對水極其敏感。CsPb2Br5和Cs4PbBr6具有良好的抗?jié)穸确€(wěn)定性及高熒光現(xiàn)象，但熒光機(jī)理尚未明確，這些問題引起了研究人員的關(guān)注。

本文對近年來無機(jī)鉛鹵化合物Cs-Pb-Br體系熒光性能的研究進(jìn)展進(jìn)行了闡述，總結(jié)了存在的問題和爭議，并對其未來的發(fā)展方向進(jìn)行了展望。

1 CsPbBr3的合成及光學(xué)性能研究

二十世紀(jì)五十年代,研究人員對無機(jī)鹵化鉛材CsPbBr3物理化學(xué)性能展開了研究，確定其具有鈣鈦礦晶體結(jié)構(gòu)，但并未發(fā)現(xiàn)其具有光學(xué)性能[4-5]。直至 1997年，CsPbBr3的熒光性能才引起人們的關(guān)注，但因當(dāng)時(shí)實(shí)驗(yàn)條件的限制，并沒有得到理想的熒光特性[6]。導(dǎo)致隨后很長一段時(shí)間，CsPbBr3的熒光性質(zhì)研究進(jìn)展都極其緩慢。直至2015年，Nedelcu等[7]采用熱注入法制備了尺寸較小的立方鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的CsPbBr3納米晶，其粒徑均一，熒光量子產(chǎn)率高，引起了廣大研究人員的關(guān)注。隨后的幾年中，CsPbBr3納米材料研究發(fā)展迅速。與CsPb2Br5和Cs4PbBr6不同，CsPbBr3的熒光特性得到研究者們的證實(shí)，并因優(yōu)異的光電特性迅速發(fā)展為鹵化鈣鈦礦半導(dǎo)體領(lǐng)域中的佼佼者。

1.1 CsPbBr3 的結(jié)構(gòu)

圖1 CsPbBr3的晶體結(jié)構(gòu)[8]Fig.1 Basic structures of CsPbBr3[8]

1.2 CsPbBr3 的制備方法

目前，高溫?zé)嶙⑸浞ê褪覝仫柡椭亟Y(jié)晶法是CsPbBr3的兩種主要合成方法[11-15]。高溫?zé)嶙⑸浞ㄊ窃谝欢囟认驴焖賹⑶膀?qū)體與反應(yīng)溶液混合，通過控制反應(yīng)時(shí)間和溫度，獲得高產(chǎn)率、高結(jié)晶度的不同尺寸納米晶。但反應(yīng)過程一般需要在高溫和惰性氣體氛圍下進(jìn)行，操作繁瑣復(fù)雜，限制了其在大規(guī)模工業(yè)合成中的應(yīng)用。2015年，Protesescu等[11]用高溫?zé)嶙⑸浞ê铣扇珶o機(jī)鈣鈦礦量子點(diǎn)CsPbBr3。室溫飽和重結(jié)晶法的原理是利用離子在不同溶劑中的溶解度差異及超飽和再結(jié)晶現(xiàn)象，在室溫環(huán)境下即可進(jìn)行合成，適用于工業(yè)大批量生產(chǎn)。但是由于反應(yīng)過于激烈和迅速，很難控制晶體生長過程，導(dǎo)致其形貌以及晶體結(jié)晶度上相對較差。2016年，Li等[12]首次在室溫條件下通過溶液的過飽和結(jié)晶，在較短的時(shí)間內(nèi)制備出具有較高量子產(chǎn)率的全無機(jī)鈣鈦礦材料。上述這兩種方法都是比較成熟的技術(shù)但各有缺點(diǎn)，研究人員在這兩種方法的基礎(chǔ)上，可接入不同有機(jī)配體改進(jìn)實(shí)驗(yàn)方案，調(diào)控晶體形貌，提高材料熒光特性，合成性能更優(yōu)異的材料。

1.3 CsPbBr3 的光學(xué)性能

圖2 CsPbBr3的熒光紫外光譜[14]Fig.2 Normalized PL spectra and absorption spectra of CsPbBr3 [14]

三維鈣鈦礦CsPbBr3具有較大的光吸收系數(shù)、超低的體積缺陷密度等特性，使得其在高發(fā)光效率方面取得顯著優(yōu)勢[13]。如圖2所示，CsPbBr3熒光光譜中峰的位置位于525 nm處，熒光強(qiáng)度高，具有優(yōu)異的熒光性能。半導(dǎo)體納米晶發(fā)光的基本方式是價(jià)帶上的電子吸收能量受到激發(fā)躍遷到導(dǎo)帶，導(dǎo)帶上的激發(fā)態(tài)電子重新躍遷回價(jià)帶，并與價(jià)帶上的空穴發(fā)生復(fù)合釋放能量，即輻射復(fù)合發(fā)光[15-16]。傳統(tǒng)量子點(diǎn)發(fā)光材料一般因局部的非金屬離子不成鍵或形成弱的成鍵軌道，在價(jià)帶與導(dǎo)帶之間形成缺陷態(tài)能級[17-19]。與傳統(tǒng)量子點(diǎn)發(fā)光材料相比，CsPbBr3的優(yōu)勢在于其擁有極高的缺陷容忍能力，能夠高度避免間隙中間態(tài)缺陷的產(chǎn)生，該缺陷態(tài)能級只形成于價(jià)帶與導(dǎo)帶的內(nèi)部。另外，中間態(tài)缺陷能級的減少，導(dǎo)致納米晶輻射復(fù)合發(fā)光的效率有了大幅度的提高，從而使得CsPbBr3納米材料具有優(yōu)異的熒光特性[12,20]。

2 CsPb2Br5的合成及光學(xué)性能研究

二維鈣鈦礦因?yàn)槠洫?dú)特的光電特性引起了人們的極大興趣，CsPb2Br5是一種二維無機(jī)鈣鈦礦鹵化物間接帶隙半導(dǎo)體，理論上不應(yīng)該具有熒光特性[21]。然而,目前對其發(fā)光性質(zhì)的起源仍缺乏基本的認(rèn)識(shí)，有關(guān)其熒光特性的文獻(xiàn)相互矛盾，研究者們對此仍有爭議。2016年，Li等[22]用熱注入法合成了CsPb2Br5納米片，并未發(fā)現(xiàn)熒光特性，且通過理論計(jì)算，得到CsPb2Br5的帶隙為2.979 eV，所對應(yīng)的波長位于416 nm處，與512 nm處發(fā)射峰不符。同年，Wang等[23]首次將CsPb2Br5作為一種熒光材料做了詳細(xì)介紹，通過調(diào)節(jié)溴化鉛和溴化銫的比例，采用一種簡單的反溶劑輔助再沉淀的方法，批量合成具有綠色熒光的CsPb2Br5納米片，其量子產(chǎn)率高達(dá)87%。這種在簡單的實(shí)驗(yàn)條件下制備的性能優(yōu)異的熒光材料，引起了研究人員的極大關(guān)注。

2.1 CsPb2Br5 的結(jié)構(gòu)

CsPb2Br5是一類典型的二維全無機(jī)鈣鈦礦材料，為層狀鹵化鉛結(jié)構(gòu)。二維CsPb2Br5結(jié)構(gòu)如圖3所示，Pb-Br骨架由Cs層分隔，CsPb2Br5的四方相呈現(xiàn)出由[Pb2Br5]-和插入Cs+組成的三明治結(jié)構(gòu)[24]。在[Pb2Br5]-中，1個(gè)Pb2+與4個(gè)Br-組成了細(xì)長的五面體，所有的Pb2+都被限制在[Pb2Br5]-的中心。因?yàn)镃s+位于[Pb2Br5]-中間，形成二維結(jié)構(gòu)，相鄰的框架層之間沒有通道，使其在物理性能上具有較大的各異性。

a—Pb-Br的鍵長;b—Pb-Br十面體形成的非通道層;c—Pb-Br十一面體;d—渠道結(jié)構(gòu)的基本單位;e—沿b方向觀察到CsPb2Br5晶體結(jié)構(gòu)圖3 CsPb2Br5的晶體結(jié)構(gòu)[24]Fig.3 Basic structures of CsPb2Br5 [24]

2.2 CsPb2Br5 的制備方法

目前，主要有兩種制備CsPb2Br5的方式，一種是用熱注入法或室溫共沉淀法等常規(guī)方法直接合成，另一種則是水誘導(dǎo)轉(zhuǎn)化間接合成法，即對合成的CsPbBr3進(jìn)行水處理使其轉(zhuǎn)化為CsPb2Br5。前者極易合成CsPbBr3雜相，導(dǎo)致合成材料不純，后者合成方法相對復(fù)雜。Tang等[25]通過熱注入方法成功合成了結(jié)晶性好、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、大小均勻、光電性能可調(diào)的新型全無機(jī)鈣鈦礦CsPb2Br5微片。Li等[22]報(bào)告了一種快速沉淀合成高熒光特性鈣鈦礦類似于血小板形狀的納米片CsPb2Br5的方法，引入相對碳鏈較短的表面活性劑六烷基銨，促進(jìn)納米血小板CsPb2Br5的形成，得到優(yōu)異的光學(xué)性質(zhì)。Li等[26]研發(fā)了一種綠色環(huán)保的化學(xué)方法合成CsPb2Br5，選擇超純水和乙醇作為溶劑，通過調(diào)控超純水和無水乙醇的比例達(dá)到控制產(chǎn)物形貌的目的。Turedi等[27]利用水直接將三維鈣鈦礦CsPbBr3膜轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的二維鈣鈦礦相關(guān)CsPb2Br5膜。在富溴化鉛條件下，這種水誘導(dǎo)的轉(zhuǎn)化過程受連續(xù)溶解-再結(jié)晶過程的控制。這些合成的二維鈣鈦礦相關(guān)材料薄膜具有良好的抗?jié)穸取⒎€(wěn)定性和較高的光致發(fā)光量子產(chǎn)率。

2.3 CsPb2Br5 的光學(xué)性能

如圖4所示，CsPb2Br5的熒光紫外光譜與CsPbBr3相似，熒光峰位置藍(lán)移位于521 nm處。對于CsPb2Br5的光致發(fā)光機(jī)制主要有以下兩種推測，CsPb2Br5本身具有熒光特性或嵌入CsPb2Br5中的CsPbBr3雜質(zhì)引起發(fā)光。一部分學(xué)者認(rèn)為CsPb2Br5本身能產(chǎn)生較強(qiáng)的熒光效應(yīng)是因?yàn)樵谒麄冎苽涞臉悠分袥]有發(fā)現(xiàn)CsPbBr3納米晶體[22,25]。持反對觀點(diǎn)的研究人員認(rèn)為CsPb2Br5熒光光譜中發(fā)射峰的位置與CsPbBr3相近[21,23]，因此認(rèn)為其發(fā)射源為嵌入的CsPbBr3納米晶體。Zhang等[21]用熱注法合成鑲嵌少量CsPbBr3的CsPb2Br5微孔板，研究人員在制備過程中，用含有少量水的乙醇溶劑去除CsPbBr3相后，導(dǎo)致熒光完全猝滅，這說明主要熒光來源于CsPb2Br5內(nèi)鑲嵌的CsPbBr3。另外，紫外熒光數(shù)據(jù)表明，對熒光的主要貢獻(xiàn)來源于350～500 nm的寬帶激發(fā)，而這對應(yīng)的是CsPbBr3并非是CsPb2Br5。這是目前較為合理的解釋，但在性能表征這一方面，期望有研究人員可以給出更直觀的證明和更具說服力的證據(jù)。

圖4 CsPb2Br5的熒光紫外光譜[22]Fig.4 Normalized PL spectra and absorption spectra of CsPb2Br5[22]

3 Cs4PbBr6的合成及光學(xué)性能研究

目前已有許多文章報(bào)道零維材料Cs4PbBr6的光學(xué)性能，關(guān)于其本身是否擁有熒光特性引起若干假設(shè)與爭議[28-34]。2016年，Saidaminov等[28]發(fā)明了一種簡單的分離單相Cs4PbBr6固體的方法，并研究了其熒光特性，合成的純相Cs4PbBr6粉末熒光量子產(chǎn)率達(dá)到45%，提出Cs4PbBr6本身可以發(fā)光，并認(rèn)為熒光的顯著增強(qiáng)歸因于其高激子結(jié)合能。同年，Chen等[29]提出了相反的觀點(diǎn)，認(rèn)為在這個(gè)體系中，熒光是由CsPbBr3受激發(fā)而得到的，不發(fā)光的Cs4PbBr6中摻雜了具有較強(qiáng)熒光的CsPbBr3納米晶，并提出了莫爾條紋的觀點(diǎn)對此進(jìn)行解釋。至此，零維材料Cs4PbBr6是否發(fā)光引起了各國研究人員的廣泛關(guān)注，并展開了一系列研究。

3.1 Cs4PbBr6的結(jié)構(gòu)

圖5 Cs4PbBr6的晶體結(jié)構(gòu)[28]Fig.5 Basic structures of Cs4PbBr6[28]

3.2 Cs4PbBr6的制備方法

Cs4PbBr6的制備方法與CsPb2Br5相似，有直接合成和間接轉(zhuǎn)化兩種方法。直接合成操作簡便，但易摻雜雜質(zhì)；間接轉(zhuǎn)化則更容易得到Cs4PbBr6純相，但操作復(fù)雜，不利于大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)。Chen等[29]在液-液不混溶兩相體系中建立了非均相界面反應(yīng)策略，將溴化鉛和溴化銫溶于二甲基甲酰胺中完全溶解，然后加入油酸和油胺穩(wěn)定前驅(qū)體溶液，加速反應(yīng)。最后將前驅(qū)體溶液快速注入正己烷中攪拌誘導(dǎo)反應(yīng)，合成了具有明亮綠光的Cs4PbBr6。該方法成本低，操作簡便，實(shí)現(xiàn)了在室溫條件下的大規(guī)模合成。Bastiani等[33]通過反溶劑蒸汽輔助結(jié)晶合成了CsPbBr3單晶，再誘導(dǎo)反應(yīng)合成Cs4PbBr6，但反應(yīng)時(shí)間較長，需要48 h。Adhikari等[34]在室溫合成條件下，通過改變銫-油酸前體的含量，從CsPbBr3轉(zhuǎn)變?yōu)楹U的Cs4PbBr6晶體。這種轉(zhuǎn)變極大地改變了鈣鈦礦的形態(tài)、結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)。Zhang等[35]采用配體輔助下室溫再沉淀的方法合成了純相Cs4PbBr6晶體。通過改變實(shí)驗(yàn)合成中輔助配體，如用十二烷基胺代替油胺，得到純相Cs4PbBr6鈣鈦礦的熒光量子產(chǎn)率高達(dá)95.1%。

圖6 Cs4PbBr6的熒光紫外光譜[29]Fig.6 Normalized PL spectra and absorption spectra of Cs4PbBr6[29]

3.3 Cs4PbBr6的光學(xué)性能

Cs4PbBr6的研究歷史可以追溯到200年前，1958年, M?ller 等[36]首次確定了Cs4PbBr6的晶體結(jié)構(gòu),并認(rèn)為其晶體是無色的。由于當(dāng)時(shí)技術(shù)欠缺，無法合成純Cs4PbBr6晶體，導(dǎo)致其光學(xué)性能的研究被推遲了約40年。如圖6所示，在365 nm波長的激發(fā)下，Cs4PbBr6的熒光峰位置位于521 nm處，紫外圖譜與CsPbBr3圖譜相比峰藍(lán)移了20 nm。對于其熒光特性主要有以下幾種猜測，Cs4PbBr6的直接激子重組發(fā)光，溴缺陷態(tài)發(fā)光和嵌入 Cs4PbBr6中的CsPbBr3雜質(zhì)。一部分學(xué)者認(rèn)為綠色熒光發(fā)射是Cs4PbBr6的固有特性，并通過透射電鏡(TEM)和X射線衍射(XRD)等實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，其是并無CsPbBr3摻雜的Cs4PbBr6純相[28,34-35]。但是有其他研究者并不同意這種觀察和解釋，因?yàn)?Cs4PbBr6的帶隙很寬約為4 eV,不具熒光效應(yīng)，與文章報(bào)道的520 nm的發(fā)射峰位置不符[37]；反而，CsPbBr3的熒光發(fā)射峰一般位于525 nm處，與其相對吻合。并且將發(fā)光材料置于水中，或高溫環(huán)境下，材料會(huì)喪失熒光能力，猜測是其中摻雜的CsPbBr3在極性溶劑中結(jié)構(gòu)被破壞，導(dǎo)致熒光猝滅。很快又有學(xué)者提出了反對的觀點(diǎn)[38]，認(rèn)為并無直接的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)證明CsPbBr3的存在，并表明Cs4PbBr6熒光是由溴空位引入了中間態(tài)引起的亞帶熒光現(xiàn)象。

4 結(jié)語與展望

本文主要討論了近年來無機(jī)鉛鹵化合物Cs-Pb-Br體系熒光性能的研究進(jìn)展。對CsPbBr3、CsPb2Br5和Cs4PbBr6的合成及光學(xué)性能進(jìn)行討論，理論上只有鈣鈦礦CsPbBr3是直接帶隙材料，具有熒光特性，CsPb2Br5和Cs4PbBr6均屬于間接帶隙材料，并不具備發(fā)光條件，但仍能觀測到熒光現(xiàn)象。是CsPb2Br5和Cs4PbBr6本身發(fā)光還是摻雜的CsPbBr3材料引起了發(fā)光，目前仍沒有更直接的數(shù)據(jù)解釋，仍值得科研人員研究探索。同時(shí)，Cs-Pb-Br三元體系鹵化物鈣鈦礦因其材料的多樣性和優(yōu)異的光電性質(zhì)，非常適合作為下一代發(fā)光材料，期待其為發(fā)光二極管等光電領(lǐng)域帶來新的突破。