基于直链烷基胺的杂化钙钛矿结构有序材料的制备和性能研究

【摘要】：层状钙钛矿结构有机/无机杂化光电功能材料将有机和无机半导体材料的优点结合在一个分子复合物内,可以结合二者的所有优势,弥补各自的不足。这种材料具有大的激子结合能和非常优异的光电性质,已经引起科学界的广泛关注,在光电领域显示出广阔的应用前景和巨大的商业市场,成为当今光电功能复合材料研究的热点之一。 本文首先通过简单的溶液法制备了以(C_4H_9NH_3)_2CuCl_4为代表的过渡金属卤化物钙钛矿的晶体,采用元素分析、X-射线衍射和红外光谱等多种测试手段,证实了产物的组成和结构,并采用旋涂法制备了薄膜,初步研究了晶体和薄膜的结构、热力学和光电性质。发现产物(C_4H_9NH_3)_2CuCl_4具有非常好的择优取向性,为高度取向的二维层状结构,层间距为15.44 A,其中晶体是由有机层和无机层交替排列的,形成了典型的二维量子阱结构。在紫外—可见吸收光谱上我们可以发现,在286 nm和384 nm存在两个不同的紫外吸收峰,出现很强的吸收峰正是由于在这二维的无机层形成了光生激子。由于(C_4H_9NH_3)_2CUCl_4中存在较弱的范德华力和烷基链段较短,导致了有机链段有序性不高,粉末压片的电阻率较大。 为了系统研究材料的结构与性能之间的关系,我们制备了(C_(4n)H_(8n+1)NH_3)_2CUCl_4(n=1,2,3)系列直链烷基胺杂化钙钛矿,研究了有机层的变化对钙钛矿结构和性能造成的影响。在该系列直链烷基胺钙钛矿中,随着烷基链碳原子数目的变化,红外光谱和XRD谱图发生相应的变化,而紫外吸收峰的位置几乎不变。当烷基链碳原子数目增加时,有机链段的有序性增加,氢键强度增大,有机链段变长,层间距增大,并根据层间距与碳原子数目变化关系估算出该系列钙钛矿的有机链段的倾斜角为43.9°。 在研究了有机层的变化对钙钛矿结构和性能影响的基础上,我们也研究了金属离子不同造成的无机层的变化对钙钛矿结构和性能的影响。我们制备了(C_(4n)H_(8n+1)NH_3)_2ZnCl_4(n=1,2,3)系列直链烷基胺杂化钙钛矿,C_4ZnCl_4系列化合物与C_4CuCl_4相比,有序程度相对较高,氢键强度较大,在红外光谱上N-H伸缩振动峰和弯曲振动峰的频率较高;固—固相转变温度较高,焓变和熵变较小。这 浙乞L大学硕士学位论文基门斤直链烷基几好的杂化钙铁矿结构有序材料的制备和性能遥开究 些都是由于C4ZnCI;系列化合物的无机层由不同于C4CuCI;系列化合物的MX4 型四面体构成,因此不同的金属离子对杂化钙钦矿的结构和性能也具有重大的影 口向。 对wA族金属卤化物杂化钙钦矿也进行了初步研究。发现(C4H剥H3)ZPbC14 在332llln处有很强的紫外吸收,而且激子吸收峰非常非常尖锐,具有很好的色 纯度和热学稳定性,适于制备光电器件的基础材料;(C,2H25NH3)ZSnl;晶体在可 见光区有强烈的吸收,说明禁带宽度较窄,可望运用于场效应晶体管沟道层等光 电器件领域。 这些简单的基于直链烷基胺的杂化钙钦矿结构有序材料的结构和性能之间 关系的研究对于制备含有更加复杂的生色基团有机按的杂化钙钦矿结构材料和 制备光电器件具有十分重要的意义。 关键词:钙钦矿,有机/无机杂化,光电,晶体,有序薄膜;