表面配体修饰对CsPbI3量子点（QDs）光学性质及器件应用的影响

《Surfaces and Interfaces》：Effect of Surface Ligand Modification on the Optical Properties and Device Applications of CsPbI 3 PQDs

CsPbI3量子点通过优化合成参数和表面钝化显著提升光性能与环境稳定性，其中L-PHE钝化效果最佳，光致发光量子产率提升18%，并保持超过70%的长期紫外稳定性。

　　

蒋伟翔|徐凤园|林坤琳|周欣瑜|孔博凯|刘伯良|吴东兴

国立中兴大学材料科学与工程系，台湾台中40227

摘要

本研究系统地探讨了配体工程和合成参数优化对CsPbI₃钙钛矿量子点（PQDs）光电性能和环境稳定性的影响。通过精确控制反应温度、前驱体注入量和反应时间，成功制备出了高质量PQDs，这些PQDs具有更高的光致发光量子产率（PLQY）、更窄的发射线宽以及更好的结晶性。使用三辛基膦（TOP）、三辛基膦氧化物（TOPO）和L-苯丙氨酸（L-PHE）进行表面钝化处理，有效抑制了与未配位Pb2?离子和表面缺陷的非辐射复合现象。分别观察到L-PHE、TOP和TOPO处理后PL性能提升了3%、16%和18%。值得注意的是，经过L-PHE改性的PQDs具有优异的光稳定性，在连续暴露于紫外光20天后仍能保持超过70%的初始PL强度。这些发现强调了表面化学在调节钙钛矿纳米晶体光学性能和稳定性方面的关键作用，为光电和光伏应用材料的合理设计奠定了坚实的基础。

引言

过去几十年中，纳米技术的迅速发展引发了全球对量子点（QDs）的广泛关注，因为这类纳米材料具有独特的光电特性[1]。量子点的尺寸依赖性量子限制效应赋予了它们卓越的光学和电学性能，使其在量子计算、光电转换、生物成像和医学诊断等领域具有巨大潜力[2]。随着这些领域的发展，人们越来越需要先进的QD合成策略，以增强光致发光（PL）强度、提高量子产率并延长长期稳定性[3]。目前已开发出多种QD合成技术，包括溶液相化学合成、气相冷凝和机械研磨[4]。其中，溶液相化学合成因其操作简便、成本效益高和可扩展性强而成为主要方法，可以通过系统调节前驱体组成、反应温度和反应时间来精确控制QD的尺寸和光学性能[5]。

在钙钛矿量子点（PQDs）中，CsPbI₃量子点因具有优异的光电转换效率、高吸收系数和可调的带隙（约1.73 eV）而受到特别关注，使其非常适合用于太阳能电池、发光二极管（LED）和光电探测器等光电设备[6]。与传统硅基和其他无机半导体材料相比，CsPbI₃量子点通过尺寸和成分工程实现了更精确的带结构调控，从而提高了光吸收效率[7]。然而，尽管具有这些优势，CsPbI₃量子点在湿度、氧气暴露和长时间光照等环境条件下容易发生降解，这严重限制了其实际应用[8]。

随着技术的进步和环境问题的日益严重，PQDs因其环境友好性和低毒性特性而受到越来越多的关注，成为基于镉的量子点的有希望的替代品[9]。为了解决CsPbI₃量子点的稳定性问题，人们开展了大量研究，开发了表面修饰策略、封装技术和成分工程方法，以有效抑制降解并提高基于QD的器件的长期稳定性[10]。尽管取得了显著进展，但配体官能团与PQD表面之间的结构-性能-稳定性关系仍需进一步探索。系统比较不同官能团和分子结构的配体的研究较少，这限制了长期稳定和高发光效率PQDs的合理设计。填补这一知识空白对于将PQD技术应用于实际光电应用至关重要。此外，CsPbI₃量子点与其他功能材料的界面兼容性也是器件集成中的关键挑战[11]。优化界面工程策略以促进有效的电荷分离和传输仍然是研究的重点，需要进一步深入研究以充分发挥CsPbI₃量子点在下一代光电应用中的潜力[12]。

部分内容摘录

CsPbI₃量子点的合成

合成红色发光钙钛矿量子点（PQDs）需要精确控制前驱体材料的摩尔比，包括碳酸铯（Cs?CO₃，99%）、碘化铅（PbI₂，99%）以及配体修饰剂（如三辛基膦（TOP，99%）、三辛基膦氧化物（TOPO，99%）和L-苯丙氨酸（L-PHE，98%），以便在不同反应条件下系统研究其结构和光学性能[13]。反应介质为1-十八烯（ODE）

不同处理温度对发射波长和PL强度的影响

图2展示了合成温度从140 °C到180 °C对CsPbI₃量子点光学特性的影响。观察到的发射波长范围为698 nm至713 nm，半高宽（FWHM）在24 nm至28 nm之间。在140 °C至170 °C的温度范围内，PL强度变化不大。然而，在180 °C时，PL强度明显下降。这种显著下降归因于结构相变

结论

本研究系统地研究了CsPbI₃量子点的合成条件，重点关注合成温度、热注入量、反应时间和配体修饰对光学性能的影响，以优化其性能。最佳合成温度为170 °C，此时制备出的PQDs具有最高的PL强度和最窄的FWHM，表明其发射特性非常纯净。热注入量为1.5 mL时，PL强度进一步提高，同时保持了窄的FWHM。使用配体进行表面钝化处理

资助

本工作得到了台湾国家科学技术委员会的资助，项目编号为112-2221-E-005-101-MY3、112-2811-E-005-013-MY3和112-2811-E-005-014。

作者声明

所有作者都对本研究的概念构思、设计和完成做出了重要贡献，并批准了最终稿件。作者声明没有财务或个人利益冲突。如需，可提供支持本研究结论的数据。

CRediT作者贡献声明

蒋伟翔：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，方法学研究，数据管理。徐凤园：研究，数据管理。林坤琳：研究，数据管理。周欣瑜：验证，研究。孔博凯：验证，研究。刘伯良：验证，研究。吴东兴：撰写 – 审稿与编辑，监督，项目管理，研究，概念构思。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文所述的工作。