南开大学李国然&赵乾Nat. Commun.: 全组分范围下探讨钙钛矿量子点的热稳定性

导读

金属卤化物钙钛矿因其独特的性质及突出的性能使其成为光电应用中佼佼者。量子点形式的钙钛矿材料即钙钛矿量子点，除了具有高缺陷容限、强光吸收和发射等卓越的钙钛矿材料特性外，还具备较高的带隙可调性和表面可操控性等量子点材料特性。目前，钙钛矿量子点材料已在发光二极管、探测器和太阳能电池等应用领域，展现出优异性能，凸显了钙钛矿量子点器件应用商业化的巨大潜力。而钙钛矿量子点对光，热、湿度和氧气等的稳定性一直是研究者们关注的焦点。其中，热稳定性的相关探究不仅在器件应用方面具有重要意义，而且对材料本征特性的基础研究方面亦至关重要，

成果掠影

近日，南开大学李国然教授和赵乾博士等人利用一系列原位表征技术并结合第一性原理理论计算，从晶相结构，微观形貌、热失重过程以及光学性质等方面，对全组分Cs_xFA_1-xPbI₃量子点（x = 0−1）的热稳定性进行系统性分析研究。原位XRD和SEM结果表明，在热分解过程中，Cs-rich的钙钛矿量子点更趋向产生由黑色γ相到黄色δ相的相变过程，而FA-rich的钙钛矿量子点更趋向直接分解成PbI₂的分解过程。而且，在所有组分钙钛矿量子点的热分解过程中，都观察到了晶粒长大的现象。通过TG-DTG的结果分析，发现FA阳离子与有机配体间或存在较强的相互作用。进一步，由理论计算结果证明，相比Cs-rich的钙钛矿量子点，FA-rich的钙钛矿量子点的表面配体OA和OAm的结合更强，相应的量子点形成能更大。此外，在对原位PL光谱的FWHM拟合分析中发现FA-rich的钙钛矿量子点具有更强的电子-纵向光学声子耦合作用，这可能意味着FA-rich的钙钛矿量子点中的光生激子被声子散射解离的概率更高。相关研究以“Thermal tolerance of perovskite quantum dots dependent on A-site cation and surface ligand”发表于Nature Communications上

第一作者：王硕

通讯作者：赵乾、李国然

通讯单位：南开大学材料科学与工程学院

核心创新点

（1）首次系统性地在全A位组分范围下探讨Cs_xFA_1-xPbI₃量子点的热稳定性

（2）揭示不同组分Cs_xFA_1-xPbI₃量子点的热分解机理，并阐明该过程是由化学组分与表面配体协同作用的结果

（3）探究FA-rich和Cs-rich钙钛矿量子点之间的不同，包括热分解和相变过程，光学性质以及声电耦合作用等方面

数据概览

图1 Cs_xFA_1-xPbI₃量子点的原位XRD分析 a，Cs_xFA_1-xPbI₃量子点在30−500°C的原位XRD谱图 b，在Cs_xFA_1-xPbI₃量子点热分解过程中各主要产物的变化情况； 

图2 不同组分Cs_xFA_1-xPbI₃量子点在热分解过程中的形貌变化

图3 不同组分Cs_xFA_1-xPbI₃量子点在热分解过程中的相关失重分析 a，不同组分Cs_xFA_1-xPbI₃量子点的TG-DTG曲线；b，FAI、CsI、PbI₂以及OA+OAm、CsI+OA+OAm、FAI+OA+OAm、和PbI₂+OA+OAm混合物的TG-DTG曲线；

图4 有关不同组分Cs_xFA_1-xPbI₃量子点的配体结合及其形成能的理论计a，不同组分Cs_xFA_1-xPbI₃量子点的差分电荷密度和电子局域函数；b，OA和OAm在不同组分Cs_xFA_1-xPbI₃量子点表面的结合能；c，表面配体为OA或OAm时，不同组分Cs_xFA_1-xPbI₃量子点的形成能

图5 不同组分Cs_xFA_1-xPbI₃量子点随温度产生的光学性质变化及其相关分析a，不同组分Cs_xFA_1-xPbI₃量子点变温原位PL谱图；b，对不同组分Cs_xFA_1-xPbI₃量子点随温度的FWHM变化及其拟合分析；c，不同组分Cs_xFA_1-xPbI₃量子点随温度的PL峰强变化；d，不同组分Cs_xFA_1-xPbI₃量子点随温度的带隙变化；

成果启示

综上，Cs_xFA_1-xPbI₃量子点的热稳定性不仅取决于A位化学组分，而且与表面配体的结合状态息息相关。同时，量子点的表面配体结合又与量子点的表面组分种类密不可分。因此，在探究Cs_xFA_1-xPbI₃量子点的热稳定性或其他物化性质时，需综合考虑量子点组分与表面配体这两种可协同作用的影响因素。此外，在探究Cs_xFA_1-xPbI₃量子点的变温光学性质时，仍存在一些需进一步探明的现象及相关机理。此研究工作是对Cs_xFA_1-xPbI₃量子点的一个初步却深刻的热力学理解，对量子点的表面修饰策略可提供一定的指导意义。

原文详情：https://www.nature.com/articles/s41467-023-37943-6

近期，该团队还基于多种器件应用的工作原理，并结合钙钛矿量子点自身的性质特点，阐述了钙钛矿量子点在各应用领域的突出优势以及面临的难题。相关链接为https://doi.org/10.1016/j.gee.2023.04.001

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