CC BY
71
УДК 541.182
Степанова У.А., Ульященко А.А., Аль-Майяхи Х.А., Зайцев В.Б., Мурадова А.Г. ПОЛУЧЕНИЕ ПЕРОВСКИТНЫХ КВАНТОВЫХ ТОЧЕК CsPbXs (X = Cl, Br, I)
Степанова Ульяна Алексеевна - аспирант 1-го года обучения кафедры наноматериалов и нанотехнологии; [email protected];
Ульященко Анастасия Андреевна - бакалавр 4 года обучения кафедры наноматериалов и нанотехнологии, [email protected];
Аль-Майяхи Хайдер Али Насер - аспирант 4-го года обучения кафедры наноматериалов и нанотехнологии, [email protected];
Мурадова Айтан Галандар Кызы - кандидат химических наук, доцент кафедры наноматериалов и нанотехнологии; [email protected].
1 ФГБОУ ВО «Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева», Россия, 125480, Москва, ул. Героев Панфиловцев, д. 20.
Зайцев Владимир Борисович - кандидат физико-математических наук., доцент кафедры общей физики и молекулярной электроники; [email protected];
2 ФГБОУ ВО «Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова», Россия, 119991, ГСП-1, Москва, Ленинские горы, д. 1, стр. 2.
Перовскитные неорганические квантовые точки имеют потенциал применения в лазерных технологиях, солнечных батареях и дисплеях. В настоящей работе были получены перовскитные квантовые точки состава CsPbX3 (X = Cl, Br и I) методом горячей инжекции. Для данных нанокристаллов исследовались структурные и оптические свойства, исследовалась зависимость свойств от их стехиометрического состава. Ключевые слова: перовскит, квантовые точки, фотолюминесценция.
OBTAINING CsPbX3 (X = Cl, Br, I) PEROVSKITE QUANTUM DOTS
Stepanova U.A.1, Uliashchenko A.A.1, Al-Mayyahi H.A.1, Muradova A.G.1, Zaytsev V.B.2
1 Mendeleev University of Chemical Technology, Moscow, Russia
2 Lomonosov Moscow State University, Moscow, Russian Federation
Perovskite inorganic quantum dots have potential applications in laser technologies, solar cells, and displays. In this work, perovskite quantum dots of the composition CsPbX3 (X = Cl, Br, and I) were obtained by hot injection method. The structural and optical properties were investigatedfor these nanocrystals, and the dependence of the properties on their stoichiometric composition was investigated. Key words: perovskite, quantum dots, photoluminescence.
Введение
На сегодняшний день квантовые точки (КТ) С8РЬХэ (X = И, Br, I) с перовскитной структурой имеют огромный потенциал применения во многих областях благодаря своим уникальным фотолюминесцентным свойствам. Перовскитные нанокристаллы на основе галогенидов цезия и свинца имеют высокие значения квантового выхода более 90%, в чём могут составить конкуренцию другим полупроводниковым наночастицам [1]. Квантовые точки С8РЬХз могут применяться в лазерных технологиях [2], в сфере альтернативной энергетики для замены нестабильных гибридных перовскитных нанокристаллов в солнечных батареях [3], а также для применения в дисплеях следующего поколения [4].
Нанокристаллы CsPbXз демонстрируют узкую ширину спектра флуоресценции, разнообразие цветовой палитры фотолюминесценции, способность к оптическому усилению и относительно высокую стабильность. Свойства данных нанокристаллов зависят не так от размера, что характерно для полупроводниковых квантовых точек, как от галогенидного состава. Поэтому спектр
флуоресценции можно регулировать не дополнительным наложением квантовых
ограничений, а, например, посредством анионного обмена, изменяя состав нанокристаллов [5].
К настоящему времени предложены различные методы коллоидного синтеза полностью неорганических перовскитных нанокристаллов С8РЬХз, такие как метод осаждения, сольвотермический метод, с использованием микроволнового излучения или ультразвука. Наиболее привлекательным является метод горячей инжекции, так как он является наиболее изученным, а также позволяет получать нанокристаллы с эффективными показателями КПД [6].
Таким образом, целью данной работы является получение монодисперсных квантовых точек CsPbXз (X = О, Br, I) со структурой перовскита и исследование их фотолюминесцентных свойств.
Экспериментальная часть
Синтез квантовых точек CsPbXз (X = С1, Бг, I) проводили в несколько этапов. На первом этапе получали прекурсор цезия путем смешивания Cs2CO3
и олеиновой кислоты в октадецене при 150 °С в атмосфере N2. На следующем этапе соль PbX2 (X = Cl, Br, I) или смесь солей галогенидов свинца в различных соотношениях растворяли в октадецене, затем последовательно вводили олеиновую кислоту и олеиламин (стабилизатор) и нагревали до 160°С. После достижения требуемой температуры в реакционную смесь вводили прекурсор цезия. Затем полученный раствор, содержащий перовскитные квантовые точки, быстро охлаждали до комнатной температуры.
Для очистки полученных КТ CsPbX3 (X = Cl, Br, I) к раствору, содержащему данные нанокристаллы, добавляли изопропиловый спирт и осаждали центрифугированием в течение 60 мин при 1500 об/мин. Затем повторно диспергировали в толуоле или н-гептане.
Спектры поглощения образцов снимались с использованием спектрофотометра Varian Cary 50, спектры фотолюминесценции снимались с использованием люминесцентного спектрометра Perkin Elmer LS 55, ПЭМ-изображения были
получены с помощью просвечивающего электронного микроскопа JEOL JEM-2100F.
Результаты и обсуждение
Для оценки размеров полученных квантовых точек использовали просвечивающую электронную микроскопию. На рисЛ^) представлено ПЭМ-изображение образца КТ CsPbBrз, растворённого в толуоле. Как видно из полученных данных, перовскитные КТ CsPbBrз представляют сосбой нанокристаллы кубической формы со средним размером 10,9 нм. По гистограмме распределения наночастиц (рис. 1В) можно судить о достаточно высокой монодисперсности полученных
перовскитных нанокристаллов.
Для КТ CsPbX3 смешанного состава также были получены ПЭМ-изображения (рис. 2). Для нанокристаллов CsPbCll,5Brl,5 (рис. 2А) и CsPbBrl,5Il,5 (рис. 2В) наблюдается сильный разброс по размерам от 5 до 12 нм и от 7 до 14 нм соответственно. Также помимо кубической формы нанокристаллов присутствуют частицы сферической и игольчатой форм.
■
«'V ■ * V
t
'V ¿ "Л
'Л.*, •
200 гш
Л Я m ш Ч
1 .»*-»■ "г "J" •■»
г
L«: +
f
—J i
■ :
i
1П I? 1-1 1П ГЛ ?n
РЛ|||>, иùи ¡гни;-
А Б
Рис.1 ПЭМ-изображение (А) и гистограмма распределения по размер (Б) для образца перовскитных
квантовых точек CsPbBrз, растворенных в толуоле
я «îî
1
100 пт
200 пт
А В
Рис. 2 ПЭМ-изображение перовскитных квантовых точек CsPbClnBrn (A) и CsPbBrish.s (B),
растворенных в толуоле
Для всех образцов были сняты спектры поглощения в ультрафиолетовой и видимой областях (рис. 3). При переходе от полностью хлорид-ионов к йодид-ионам в структуре перовскита спектр поглощения смещается в более длинноволновую область.
Анализ спектров флуоресценции для CsPbX3 (X = Cl, Br, I) показал, что в зависимости от состава нанокристалла можно получить флуоресценцию во всей видимой области спектра в пределах от 400 нм до 650 нм. Для данных нанокристаллов характерен узкий эмиссионный пик с высокой интенсивностью фотолюминесценции.
Cl
С1-Вг(1:1) Вг
Br-i (1;1) I
« \
■■V \
-fiij
fef/!
МО fiilfl
Wavelength (nrn)
Рис.3 Спектры поглощения для линейки образцов CsPbX3 (X = Cl, Br, I)
Заключение
В данной работе были получены перовскитные квантовые точки состава CsPbX3 (X = Cl, Br, I) методом горячей инжекции. Для нанокристаллов CsPbBr3 характерна высокая степень монодисперсности в отличие от частиц смешенного состава.
Для квантовых точек CsPbX3 (X = Cl, Br, I) наблюдается взаимосвязь оптических свойств от их стехиометрического состава. В зависимости от состава перовскитные нанокристаллы с высокой эффективностью флуоресцировали в диапазоне от 400 до 650 нм.
Список литературы
1. M.V. Kovalenko, L. Protesescu, M.I. Bodnarchuk, Properties and potential optoelectronic applications of lead halide perovskite nanocrystals. Science 358, 745-750 (2017).
2. L. Protesescu, S. Yakunin, M.I. Bodnarchuk, F. Krieg, R. Caputo, C.H. Hendon, R.X. Yang, A. Walsh, M.V. Kovalenko, Nanocrystals of cesium lead halide perovskites (CsPbX3, X = Cl, Br, and I): novel optoelectronic materials showing bright emission with wide color gamut. Nano Lett. 15, 3692 (2015).
3. Kang Wang, Zhiwen Jin, Lei Liang, Hui Bian, Dongliang Bai, Haoran Wang, Jingru Zhang, Qian Wang & Shengzhong Liu, All-inorganic cesium lead iodide perovskite solar cells with stabilized efficiency beyond 15%. Nature Communications volume 9, Article number: 4544 (2018)
4. Liu, H., Liu, Z., Xu, W., Yang, L., Liu, Y., Yao, D., ... Yang, B. (2019). Engineering the Photoluminescence of CsPbX3 (X= Cl, Br, and I) Perovskite Nanocrystals across the Full Visible Spectra with the Interval of 1 nm. ACS Applied Materials & Interfaces. doi:10.1021/acsami.9b01930
5. Soosaimanickam Ananthakumar, Jeyagopal Ram Kumar, Sridharan Moorthy Babu, "Cesium lead halide (CsPbX3, X = Cl, Br, I) perovskite quantum dots-synthesis, properties, and applications: a review of their present status," J. Photon. Energy 6(4), 042001 (2016)
6. Ye Zhou, Yan Wang, "Perovskite Quantum Dots. Synthesis, Properties and Applications", Springer Series in Materials Science 303 (2020)
