準(zhǔn)二維有機(jī)-無(wú)機(jī)雜化鈣鈦礦發(fā)光二極管光電性能的多維探究一、引言1.1研究背景與意義在當(dāng)今的光電領(lǐng)域，尋找性能卓越且成本低廉的發(fā)光材料一直是研究的核心與熱點(diǎn)。準(zhǔn)二維有機(jī)-無(wú)機(jī)雜化鈣鈦礦發(fā)光二極管（Q-2DPeLEDs）作為一種新興的發(fā)光技術(shù)，憑借其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的光電特性，近年來(lái)在學(xué)術(shù)界和工業(yè)界引起了廣泛的關(guān)注。從材料結(jié)構(gòu)來(lái)看，準(zhǔn)二維有機(jī)-無(wú)機(jī)雜化鈣鈦礦具有獨(dú)特的層狀結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)可看作是在三維鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，通過(guò)引入有機(jī)大陽(yáng)離子，在垂直于無(wú)機(jī)骨架的方向上形成了具有不同量子阱深度的結(jié)構(gòu)。這種天然形成的量子阱結(jié)構(gòu)，使得準(zhǔn)二維鈣鈦礦具有比傳統(tǒng)三維鈣鈦礦更大的激子結(jié)合能，一般可達(dá)幾十至幾百meV，從而有效地抑制了載流子的非輻射復(fù)合，提高了發(fā)光效率。在應(yīng)用潛力方面，準(zhǔn)二維有機(jī)-無(wú)機(jī)雜化鈣鈦礦發(fā)光二極管具有多方面的優(yōu)勢(shì)。在顯示領(lǐng)域，隨著人們對(duì)顯示屏幕的要求不斷提高，如高分辨率、高色域、低功耗等，傳統(tǒng)的液晶顯示（LCD）和有機(jī)發(fā)光二極管（OLED）顯示技術(shù)逐漸暴露出一些局限性。而準(zhǔn)二維鈣鈦礦發(fā)光二極管由于具有高色純度、窄發(fā)射光譜的特點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)更鮮艷、更逼真的色彩顯示，有望成為下一代顯示技術(shù)的有力競(jìng)爭(zhēng)者。以目前的研究成果來(lái)看，準(zhǔn)二維綠光鈣鈦礦發(fā)光二極管的外量子效率已經(jīng)超過(guò)22%，且色純度高，其半高寬通常可達(dá)到15-30nm，遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)熒光粉和量子點(diǎn)發(fā)光材料，能夠?qū)崿F(xiàn)更精準(zhǔn)的色彩還原。在照明領(lǐng)域，準(zhǔn)二維鈣鈦礦發(fā)光二極管具有制備工藝簡(jiǎn)單、成本低的優(yōu)勢(shì)，有望實(shí)現(xiàn)高效、節(jié)能的照明應(yīng)用，為解決能源問(wèn)題提供新的途徑。此外，在生物成像、傳感器等領(lǐng)域，準(zhǔn)二維鈣鈦礦發(fā)光二極管也展現(xiàn)出了潛在的應(yīng)用價(jià)值，例如可作為熒光探針用于生物分子的檢測(cè)和成像，其高熒光量子產(chǎn)率和良好的生物相容性為生物醫(yī)學(xué)研究提供了新的工具。然而，目前準(zhǔn)二維有機(jī)-無(wú)機(jī)雜化鈣鈦礦發(fā)光二極管仍面臨著諸多挑戰(zhàn)。其中，器件穩(wěn)定性是限制其商業(yè)化應(yīng)用的關(guān)鍵因素之一。在實(shí)際應(yīng)用中，準(zhǔn)二維鈣鈦礦發(fā)光二極管在光照、濕度、溫度等環(huán)境因素的影響下，容易發(fā)生性能衰退，例如在高濕度環(huán)境下，水分子容易侵入鈣鈦礦結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致其分解，從而降低器件的發(fā)光效率和壽命。此外，器件的制備工藝也有待進(jìn)一步優(yōu)化，目前的制備方法往往難以實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量、大面積的鈣鈦礦薄膜制備，導(dǎo)致器件的性能一致性較差，這也阻礙了其大規(guī)模生產(chǎn)和應(yīng)用。因此，深入研究準(zhǔn)二維有機(jī)-無(wú)機(jī)雜化鈣鈦礦發(fā)光二極管的光電性能具有重要的科學(xué)意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。通過(guò)對(duì)其光電性能的研究，能夠揭示其發(fā)光機(jī)制和載流子傳輸特性，為進(jìn)一步優(yōu)化器件性能提供理論基礎(chǔ)。同時(shí)，探索提高器件穩(wěn)定性和制備工藝的方法，有助于推動(dòng)準(zhǔn)二維鈣鈦礦發(fā)光二極管的商業(yè)化進(jìn)程，使其在顯示、照明等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，為光電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展注入新的活力。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀在準(zhǔn)二維有機(jī)-無(wú)機(jī)雜化鈣鈦礦發(fā)光二極管的研究領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)外的科研人員都投入了大量的精力，并取得了一系列重要的成果。國(guó)外方面，早在2014年，劍橋大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)就首次報(bào)道了高效的鈣鈦礦發(fā)光二極管，為后續(xù)的研究奠定了基礎(chǔ)。此后，眾多科研機(jī)構(gòu)和高校紛紛開(kāi)展相關(guān)研究。美國(guó)的一些研究團(tuán)隊(duì)在材料的合成與結(jié)構(gòu)調(diào)控方面取得了顯著進(jìn)展。他們通過(guò)改變有機(jī)陽(yáng)離子的種類(lèi)和比例，成功制備出具有不同量子阱深度的準(zhǔn)二維鈣鈦礦材料，深入研究了其對(duì)光電性能的影響。例如，在一項(xiàng)研究中，通過(guò)引入特定的有機(jī)陽(yáng)離子，使得準(zhǔn)二維鈣鈦礦的量子阱結(jié)構(gòu)更加規(guī)整，激子結(jié)合能進(jìn)一步提高，從而顯著提升了發(fā)光效率。歐洲的科研人員則在器件結(jié)構(gòu)優(yōu)化和穩(wěn)定性研究方面成果頗豐。他們通過(guò)設(shè)計(jì)新型的器件結(jié)構(gòu)，如采用多層結(jié)構(gòu)來(lái)改善載流子的傳輸和復(fù)合效率，同時(shí)，利用先進(jìn)的封裝技術(shù)和材料，提高了器件在不同環(huán)境條件下的穩(wěn)定性。比如，德國(guó)的一個(gè)研究小組開(kāi)發(fā)出一種新型的封裝材料，能夠有效阻擋水分和氧氣對(duì)鈣鈦礦材料的侵蝕，使器件的壽命得到了明顯延長(zhǎng)。國(guó)內(nèi)在準(zhǔn)二維有機(jī)-無(wú)機(jī)雜化鈣鈦礦發(fā)光二極管的研究上也發(fā)展迅速，眾多高校和科研機(jī)構(gòu)在該領(lǐng)域取得了一系列具有國(guó)際影響力的成果。吉林大學(xué)物理學(xué)院王寧教授團(tuán)隊(duì)在大面積鈣鈦礦LEDs研究方面取得重要進(jìn)展，相關(guān)成果以“EfficientandstableperovskiteLEDpreparedbytheregulationofverticalspatialcrystallizationdynamics”為題發(fā)表在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《Laser&PhotonicsReviews》上。他們通過(guò)調(diào)控垂直空間結(jié)晶動(dòng)力學(xué)，制備出了高效且穩(wěn)定的鈣鈦礦發(fā)光二極管，為提高器件性能提供了新的思路。中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春應(yīng)用化學(xué)研究所秦川江研究員團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期致力于雜化半導(dǎo)體和有機(jī)光電材料與器件的研究。他們?cè)跍?zhǔn)二維鈣鈦礦材料的激子行為特征研究以及通過(guò)調(diào)控鈣鈦礦結(jié)構(gòu)和器件構(gòu)造提高發(fā)光器件性能方面取得了重要成果。其關(guān)于雜化半導(dǎo)體發(fā)光機(jī)制與激射原理和室溫連續(xù)光泵浦鈣鈦礦激光的研究成果受到廣泛關(guān)注，被PhysicsWorld、EurekAlert、Phys.Org.、ScienceDaily、ScienceBulletin、中國(guó)科學(xué)院官網(wǎng)等學(xué)術(shù)網(wǎng)站和期刊雜志予以報(bào)道和專(zhuān)題評(píng)述。此外，國(guó)內(nèi)還有許多研究團(tuán)隊(duì)在材料的制備工藝優(yōu)化、界面工程等方面進(jìn)行了深入研究，通過(guò)開(kāi)發(fā)新型的制備工藝，如溶液法、氣相沉積法等的改進(jìn)，提高了鈣鈦礦薄膜的質(zhì)量和均勻性，進(jìn)而提升了器件的性能。當(dāng)前，準(zhǔn)二維有機(jī)-無(wú)機(jī)雜化鈣鈦礦發(fā)光二極管的研究熱點(diǎn)主要集中在以下幾個(gè)方面：一是通過(guò)進(jìn)一步優(yōu)化材料的組成和結(jié)構(gòu)，提高器件的發(fā)光效率和色純度，如探索新型的有機(jī)陽(yáng)離子或陰離子組合，以實(shí)現(xiàn)更理想的量子阱結(jié)構(gòu)和光電性能；二是深入研究器件的穩(wěn)定性機(jī)制，開(kāi)發(fā)有效的穩(wěn)定性提升策略，包括材料的表面修飾、封裝技術(shù)的改進(jìn)等；三是拓展準(zhǔn)二維鈣鈦礦發(fā)光二極管的應(yīng)用領(lǐng)域，如在柔性顯示、生物成像等領(lǐng)域的應(yīng)用探索。然而，目前的研究仍存在一些不足之處。在穩(wěn)定性方面，盡管已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展，但器件在長(zhǎng)期工作或復(fù)雜環(huán)境下的穩(wěn)定性仍有待進(jìn)一步提高，如在高溫、高濕度等條件下，器件性能的衰退問(wèn)題仍然較為嚴(yán)重。在制備工藝上，現(xiàn)有的制備方法難以實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量、大面積的鈣鈦礦薄膜制備，導(dǎo)致器件的性能一致性較差，這限制了其大規(guī)模生產(chǎn)和應(yīng)用。此外，對(duì)于準(zhǔn)二維鈣鈦礦發(fā)光二極管的發(fā)光機(jī)理和載流子傳輸特性，雖然已經(jīng)有了一定的認(rèn)識(shí)，但仍存在一些尚未明確的問(wèn)題，需要進(jìn)一步深入研究。1.3研究?jī)?nèi)容與方法本研究圍繞準(zhǔn)二維有機(jī)-無(wú)機(jī)雜化鈣鈦礦發(fā)光二極管的光電性能展開(kāi)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)與理論分析相結(jié)合的方式，深入探究其內(nèi)部機(jī)制，旨在為提升器件性能提供有效策略。在研究?jī)?nèi)容上，一是材料合成與薄膜制備，采用溶液旋涂法，以甲胺鉛溴（MAPbBr?）為基礎(chǔ)體系，引入不同比例的有機(jī)大陽(yáng)離子如苯乙胺（PEA），通過(guò)精確控制前驅(qū)體溶液的濃度、溶劑的選擇及配比，在氮?dú)獗Ｗo(hù)的手套箱中，將溶液旋涂在經(jīng)過(guò)嚴(yán)格清洗和表面處理的玻璃基底或氧化銦錫（ITO）導(dǎo)電玻璃基底上，制備出具有不同量子阱結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)二維鈣鈦礦薄膜。在旋涂過(guò)程中，通過(guò)調(diào)整旋涂的轉(zhuǎn)速和時(shí)間，精確控制薄膜的厚度和均勻性。隨后，對(duì)薄膜進(jìn)行退火處理，優(yōu)化退火的溫度和時(shí)間參數(shù)，以促進(jìn)晶體的生長(zhǎng)和結(jié)晶質(zhì)量的提高。二是器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制備，構(gòu)建常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)為ITO/聚（3,4-乙撐二氧噻吩）-聚苯乙烯磺酸鹽（PEDOT:PSS）/準(zhǔn)二維鈣鈦礦發(fā)光層/2,9-二甲基-4,7-二苯基-1,10-菲咯啉（BCP）/鋁（Al）的器件結(jié)構(gòu)。其中，PEDOT:PSS作為空穴傳輸層，通過(guò)旋涂法制備，在旋涂后進(jìn)行高溫退火處理，以提高其導(dǎo)電性和空穴傳輸性能。BCP作為電子傳輸層，采用熱蒸發(fā)的方法沉積在鈣鈦礦發(fā)光層上，精確控制蒸發(fā)的速率和厚度，確保電子能夠有效地傳輸?shù)桨l(fā)光層，同時(shí)阻擋空穴的傳輸，減少載流子的復(fù)合損失。Al作為陰極，同樣采用熱蒸發(fā)的方式制備，形成良好的歐姆接觸，提高器件的發(fā)光效率。三是光電性能測(cè)試與分析，運(yùn)用多種先進(jìn)設(shè)備對(duì)器件的光電性能進(jìn)行全面測(cè)試。使用Keithley2400源表和M2000光譜儀組成的測(cè)試系統(tǒng)，在室溫環(huán)境下，對(duì)器件的電流-電壓（I-V）特性進(jìn)行測(cè)量，獲取器件的開(kāi)啟電壓、工作電壓等關(guān)鍵參數(shù)，分析器件的電學(xué)性能。通過(guò)該測(cè)試系統(tǒng)，還能測(cè)量器件的電致發(fā)光（EL）光譜，確定發(fā)光的峰值波長(zhǎng)、半高寬等參數(shù)，評(píng)估器件的發(fā)光顏色和色純度。利用積分球和功率計(jì)，測(cè)量器件的發(fā)光強(qiáng)度和功率，計(jì)算外量子效率（EQE），以評(píng)估器件的發(fā)光效率。同時(shí)，將器件放置在不同濕度和溫度環(huán)境下，定期測(cè)試其光電性能，研究環(huán)境因素對(duì)器件穩(wěn)定性的影響，分析器件性能衰退的原因。四是發(fā)光機(jī)制與載流子傳輸特性研究，借助光致發(fā)光（PL）光譜、時(shí)間分辨光致發(fā)光（TRPL）光譜以及瞬態(tài)光電流譜等手段，深入研究準(zhǔn)二維鈣鈦礦材料的發(fā)光機(jī)制和載流子傳輸特性。通過(guò)PL光譜，分析材料的發(fā)光峰位和強(qiáng)度，研究激子的形成和復(fù)合過(guò)程。利用TRPL光譜，測(cè)量激子的壽命，了解載流子的復(fù)合動(dòng)力學(xué)過(guò)程。通過(guò)瞬態(tài)光電流譜，研究載流子在器件中的傳輸時(shí)間和遷移率，揭示載流子在不同層之間的傳輸機(jī)制，為優(yōu)化器件性能提供理論依據(jù)。二、準(zhǔn)二維有機(jī)-無(wú)機(jī)雜化鈣鈦礦發(fā)光二極管基礎(chǔ)2.1結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)2.1.1晶體結(jié)構(gòu)準(zhǔn)二維有機(jī)-無(wú)機(jī)雜化鈣鈦礦的晶體結(jié)構(gòu)可以看作是在三維鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，通過(guò)引入有機(jī)大陽(yáng)離子而形成的特殊結(jié)構(gòu)。其基本化學(xué)式為(RNH_{3})_{2}(CH_{3}NH_{3})_{n-1}Pb_{n}X_{3n+1}，其中RNH_{3}為有機(jī)大陽(yáng)離子，如苯乙胺（PEA）等；CH_{3}NH_{3}為有機(jī)小陽(yáng)離子，通常是甲胺陽(yáng)離子；Pb為二價(jià)金屬陽(yáng)離子；X為鹵族陰離子，常見(jiàn)的有Cl^{-}、Br^{-}、I^{-}等。在這種結(jié)構(gòu)中，無(wú)機(jī)骨架部分由PbX_{6}八面體通過(guò)共用頂點(diǎn)連接而成，形成了二維的層狀結(jié)構(gòu)。有機(jī)大陽(yáng)離子RNH_{3}則位于無(wú)機(jī)層之間，通過(guò)范德華力與無(wú)機(jī)層相互作用。這種結(jié)構(gòu)類(lèi)似于三明治結(jié)構(gòu)，有機(jī)大陽(yáng)離子起到了分隔無(wú)機(jī)層的作用，從而在垂直于無(wú)機(jī)骨架的方向上形成了具有不同量子阱深度的結(jié)構(gòu)。隨著n值的變化，無(wú)機(jī)層的厚度和量子阱深度也會(huì)相應(yīng)改變。當(dāng)n=1時(shí)，形成的是典型的二維鈣鈦礦結(jié)構(gòu)，無(wú)機(jī)層僅由一層PbX_{6}八面體組成；當(dāng)n逐漸增大時(shí)，無(wú)機(jī)層的厚度增加，結(jié)構(gòu)逐漸向三維鈣鈦礦結(jié)構(gòu)靠近。例如，在(PEA)_{2}(MA)_{n-1}Pb_{n}Br_{3n+1}體系中，隨著n從1增加，無(wú)機(jī)層中PbBr_{6}八面體的層數(shù)增多，量子阱深度逐漸減小。這種結(jié)構(gòu)的變化會(huì)對(duì)材料的光電性能產(chǎn)生顯著影響，如隨著n的增大，材料的帶隙逐漸減小，吸收光譜和發(fā)射光譜會(huì)發(fā)生紅移。2.1.2獨(dú)特性能準(zhǔn)二維有機(jī)-無(wú)機(jī)雜化鈣鈦礦具有一系列獨(dú)特的光電性能，這些性能與其特殊的結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。高載流子遷移率是其重要特性之一。在準(zhǔn)二維鈣鈦礦中，無(wú)機(jī)骨架的PbX_{6}八面體結(jié)構(gòu)為載流子的傳輸提供了良好的通道。由于Pb-X鍵具有較強(qiáng)的離子性，電子和空穴在其中能夠較為自由地移動(dòng)。同時(shí)，有機(jī)大陽(yáng)離子的引入雖然在一定程度上增加了結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，但通過(guò)優(yōu)化有機(jī)陽(yáng)離子與無(wú)機(jī)骨架之間的相互作用，可以減少載流子的散射，從而保持較高的載流子遷移率。研究表明，一些準(zhǔn)二維鈣鈦礦材料的載流子遷移率可以達(dá)到幾十cm^{2}V^{-1}s^{-1}，這使得器件在工作時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)高效的電荷傳輸，有利于提高發(fā)光效率。例如，在特定的準(zhǔn)二維鈣鈦礦材料中，通過(guò)精確控制有機(jī)陽(yáng)離子的種類(lèi)和比例，優(yōu)化晶體結(jié)構(gòu)，載流子遷移率可達(dá)到50cm^{2}V^{-1}s^{-1}，相比一些傳統(tǒng)的有機(jī)發(fā)光材料，載流子遷移率有了顯著提高?？烧{(diào)帶隙也是準(zhǔn)二維有機(jī)-無(wú)機(jī)雜化鈣鈦礦的一大優(yōu)勢(shì)。通過(guò)改變有機(jī)陽(yáng)離子的種類(lèi)、無(wú)機(jī)陽(yáng)離子的組成以及鹵族陰離子的類(lèi)型，可以有效地調(diào)節(jié)材料的帶隙。不同的帶隙對(duì)應(yīng)著不同的發(fā)光顏色，這使得準(zhǔn)二維鈣鈦礦在發(fā)光二極管領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。例如，當(dāng)鹵族陰離子從Br^{-}逐漸替換為I^{-}時(shí)，材料的帶隙逐漸減小，發(fā)光顏色從藍(lán)光逐漸變?yōu)榫G光、紅光。在制備藍(lán)色準(zhǔn)二維鈣鈦礦發(fā)光二極管時(shí)，可以通過(guò)選擇合適的有機(jī)陽(yáng)離子和控制鹵族陰離子的比例，精確調(diào)節(jié)帶隙，實(shí)現(xiàn)高效的藍(lán)色發(fā)光。目前，已經(jīng)通過(guò)這種方式制備出了發(fā)射峰值位于480-490nm的藍(lán)色準(zhǔn)二維鈣鈦礦發(fā)光二極管，為全彩顯示提供了重要的材料基礎(chǔ)。此外，準(zhǔn)二維鈣鈦礦還具有較大的激子結(jié)合能，一般可達(dá)幾十至幾百meV。這是由于量子阱結(jié)構(gòu)的存在，限制了載流子的運(yùn)動(dòng)范圍，使得電子和空穴之間的庫(kù)侖相互作用增強(qiáng)，從而提高了激子結(jié)合能。較大的激子結(jié)合能有效地抑制了載流子的非輻射復(fù)合，使得激子更容易以輻射復(fù)合的方式發(fā)光，提高了材料的發(fā)光效率。在一些研究中，通過(guò)優(yōu)化量子阱結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步增大激子結(jié)合能，使得準(zhǔn)二維鈣鈦礦發(fā)光二極管的外量子效率得到了顯著提升，例如，某研究通過(guò)精確控制有機(jī)陽(yáng)離子的尺寸和無(wú)機(jī)層的厚度，使激子結(jié)合能達(dá)到了200meV，相應(yīng)的發(fā)光二極管外量子效率提高到了20%以上。2.2工作原理準(zhǔn)二維有機(jī)-無(wú)機(jī)雜化鈣鈦礦發(fā)光二極管的工作原理基于電子-空穴復(fù)合產(chǎn)生光子的過(guò)程。當(dāng)器件兩端施加正向電壓時(shí)，陽(yáng)極（如ITO）注入空穴，陰極（如Al）注入電子?？昭ê碗娮臃謩e通過(guò)空穴傳輸層（如PEDOT:PSS）和電子傳輸層（如BCP）傳輸?shù)綔?zhǔn)二維鈣鈦礦發(fā)光層。在準(zhǔn)二維鈣鈦礦發(fā)光層中，注入的電子和空穴會(huì)在量子阱結(jié)構(gòu)中被捕獲。由于量子限制效應(yīng)，電子和空穴的波函數(shù)被限制在無(wú)機(jī)層內(nèi)，增加了它們之間的庫(kù)侖相互作用，形成激子。激子是一種由電子和空穴通過(guò)庫(kù)侖力相互吸引而形成的束縛態(tài)。根據(jù)電子和空穴的自旋狀態(tài)，激子可分為單線(xiàn)態(tài)激子和三線(xiàn)態(tài)激子。單線(xiàn)態(tài)激子中，電子和空穴的自旋方向相反，總自旋為0。三線(xiàn)態(tài)激子中，電子和空穴的自旋方向相同，總自旋為1。在電致發(fā)光過(guò)程中，單線(xiàn)態(tài)激子和三線(xiàn)態(tài)激子都有可能形成。由于自旋守恒定律，單線(xiàn)態(tài)激子的輻射復(fù)合過(guò)程是允許的，其壽命較短，通常在納秒量級(jí)，能夠快速地以發(fā)射光子的形式釋放能量，產(chǎn)生發(fā)光。而三線(xiàn)態(tài)激子的輻射復(fù)合過(guò)程是禁阻的，其壽命相對(duì)較長(zhǎng)，通常在微秒至毫秒量級(jí)。在傳統(tǒng)的有機(jī)發(fā)光二極管中，三線(xiàn)態(tài)激子由于難以通過(guò)輻射復(fù)合發(fā)光，往往會(huì)通過(guò)非輻射復(fù)合的方式消耗能量，導(dǎo)致發(fā)光效率降低。然而，在準(zhǔn)二維鈣鈦礦中，情況有所不同。一些研究表明，在特定的準(zhǔn)二維鈣鈦礦材料中，三線(xiàn)態(tài)激子可以通過(guò)系間竄越等過(guò)程轉(zhuǎn)換為單線(xiàn)態(tài)激子，從而實(shí)現(xiàn)輻射復(fù)合發(fā)光。這種特性使得準(zhǔn)二維鈣鈦礦在發(fā)光二極管應(yīng)用中具有潛在的優(yōu)勢(shì)，能夠提高器件的發(fā)光效率。例如，在某些準(zhǔn)二維鈣鈦礦材料中，通過(guò)合理設(shè)計(jì)有機(jī)陽(yáng)離子和無(wú)機(jī)層的結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)了三線(xiàn)態(tài)激子與單線(xiàn)態(tài)激子之間的相互作用，促進(jìn)了三線(xiàn)態(tài)激子向單線(xiàn)態(tài)激子的轉(zhuǎn)換，使得器件的外量子效率得到了顯著提升。當(dāng)激子發(fā)生輻射復(fù)合時(shí)，會(huì)釋放出光子，光子的能量等于材料的帶隙能量。由于準(zhǔn)二維鈣鈦礦的帶隙可以通過(guò)改變材料的組成和結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)節(jié)，因此可以實(shí)現(xiàn)不同顏色的發(fā)光。例如，通過(guò)調(diào)整鹵族陰離子的種類(lèi)和比例，或者改變有機(jī)陽(yáng)離子的結(jié)構(gòu)，可以使準(zhǔn)二維鈣鈦礦發(fā)光二極管發(fā)射出藍(lán)光、綠光、紅光等不同顏色的光，滿(mǎn)足不同應(yīng)用場(chǎng)景的需求。三、光電性能關(guān)鍵影響因素3.1材料組成3.1.1陽(yáng)離子影響準(zhǔn)二維有機(jī)-無(wú)機(jī)雜化鈣鈦礦的陽(yáng)離子組成對(duì)其光電性能起著至關(guān)重要的作用，主要體現(xiàn)在A位和B位陽(yáng)離子的種類(lèi)、大小及比例變化上。在A位陽(yáng)離子方面，常見(jiàn)的有甲胺陽(yáng)離子（MA+）、甲脒陽(yáng)離子（FA+）和銫離子（Cs+）等。這些陽(yáng)離子的大小和結(jié)構(gòu)差異會(huì)導(dǎo)致其與無(wú)機(jī)骨架之間的相互作用不同，進(jìn)而影響材料的晶體結(jié)構(gòu)和光電性能。例如，MA+的離子半徑相對(duì)較小，其形成的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)中，無(wú)機(jī)層之間的距離較近，量子阱深度相對(duì)較深。這種結(jié)構(gòu)使得激子結(jié)合能較大，有利于提高發(fā)光效率。研究表明，在基于MA+的準(zhǔn)二維鈣鈦礦發(fā)光二極管中，激子結(jié)合能可達(dá)到150-200meV，相應(yīng)的器件外量子效率可達(dá)到15%-20%。而FA+的離子半徑比MA+大，引入FA+后，無(wú)機(jī)層之間的距離增大，量子阱深度變淺。這會(huì)導(dǎo)致材料的帶隙減小，吸收光譜和發(fā)射光譜發(fā)生紅移。在一些研究中，通過(guò)將部分MA+替換為FA+，制備出的準(zhǔn)二維鈣鈦礦發(fā)光二極管的發(fā)光顏色從綠光變?yōu)槌裙?，且由于FA+的引入，材料的穩(wěn)定性有所提高。Cs+作為無(wú)機(jī)陽(yáng)離子，具有較高的離子半徑和穩(wěn)定性。在準(zhǔn)二維鈣鈦礦中引入Cs+，可以調(diào)節(jié)材料的晶體結(jié)構(gòu)和光電性能。一方面，Cs+可以填充在無(wú)機(jī)骨架的空隙中，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性；另一方面，Cs+的引入會(huì)影響載流子的傳輸和復(fù)合過(guò)程。例如，在某些準(zhǔn)二維鈣鈦礦體系中，適量的Cs+摻雜可以提高載流子的遷移率，從而提高器件的發(fā)光效率。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)Cs+的摻雜比例在一定范圍內(nèi)時(shí)，載流子遷移率可提高20%-30%，器件的外量子效率也相應(yīng)提高。B位陽(yáng)離子通常為二價(jià)金屬陽(yáng)離子，如鉛離子（Pb2+）、錫離子（Sn2+）等。Pb2+由于其合適的離子半徑和電子結(jié)構(gòu)，在準(zhǔn)二維鈣鈦礦中得到了廣泛應(yīng)用。Pb2+與鹵族陰離子形成的PbX_{6}八面體結(jié)構(gòu)為載流子的傳輸提供了良好的通道，使得準(zhǔn)二維鈣鈦礦具有較高的載流子遷移率。然而，Pb2+具有一定的毒性，這限制了其大規(guī)模應(yīng)用。Sn2+作為一種潛在的替代陽(yáng)離子，具有與Pb2+相似的電子結(jié)構(gòu)和離子半徑，且無(wú)毒。但Sn2+容易被氧化為Sn4+，導(dǎo)致材料的穩(wěn)定性較差。在一些研究中，通過(guò)對(duì)Sn2+基準(zhǔn)二維鈣鈦礦進(jìn)行表面修飾或摻雜其他元素，如引入少量的In3+等，來(lái)抑制Sn2+的氧化，提高材料的穩(wěn)定性。同時(shí)，由于Sn2+的電子云分布與Pb2+略有不同，其形成的鈣鈦礦材料的帶隙和載流子遷移率也會(huì)有所差異。研究表明，Sn2+基準(zhǔn)二維鈣鈦礦的帶隙通常比Pb2+基的略小，這使得其發(fā)光顏色更偏向紅光，但載流子遷移率相對(duì)較低，通過(guò)優(yōu)化制備工藝和材料組成，可以在一定程度上提高其載流子遷移率，從而提升器件的性能。此外，陽(yáng)離子的比例變化也會(huì)對(duì)光電性能產(chǎn)生顯著影響。例如，在(RNH_{3})_{2}(CH_{3}NH_{3})_{n-1}Pb_{n}X_{3n+1}體系中，隨著n值的變化，有機(jī)小陽(yáng)離子CH_{3}NH_{3}與無(wú)機(jī)陽(yáng)離子Pb的比例發(fā)生改變，這會(huì)導(dǎo)致無(wú)機(jī)層的厚度和量子阱深度變化，進(jìn)而影響材料的帶隙、載流子傳輸和發(fā)光性能。當(dāng)n增大時(shí)，無(wú)機(jī)層厚度增加，量子阱深度減小，材料的帶隙減小，發(fā)光光譜紅移。同時(shí)，由于無(wú)機(jī)層厚度的增加，載流子在傳輸過(guò)程中受到的散射減少，載流子遷移率可能會(huì)有所提高，有利于提高器件的發(fā)光效率。3.1.2陰離子作用X位鹵族陰離子在準(zhǔn)二維有機(jī)-無(wú)機(jī)雜化鈣鈦礦中對(duì)材料的光吸收、發(fā)射光譜以及穩(wěn)定性等方面具有重要的作用機(jī)制。鹵族陰離子的種類(lèi)主要包括氯離子（Cl-）、溴離子（Br-）和碘離子（I-）。這些陰離子的半徑和電負(fù)性不同，會(huì)導(dǎo)致PbX_{6}八面體結(jié)構(gòu)的畸變程度不同，從而影響材料的電子結(jié)構(gòu)和光電性能。Cl-的離子半徑最小，電負(fù)性最大。在準(zhǔn)二維鈣鈦礦中引入Cl-，會(huì)使PbX_{6}八面體結(jié)構(gòu)更加緊湊，導(dǎo)致材料的帶隙增大。研究表明，當(dāng)在MAPbBr_{3}體系中引入少量的Cl-時(shí)，材料的帶隙可增大0.1-0.2eV，發(fā)光顏色從綠光向藍(lán)光偏移。這是因?yàn)镃l-的引入改變了Pb-X鍵的鍵長(zhǎng)和鍵角，進(jìn)而影響了電子的能級(jí)分布，使得帶隙增大。由于Cl-的電負(fù)性較大，它與Pb^{2+}之間的化學(xué)鍵相對(duì)較強(qiáng)，這在一定程度上提高了材料的穩(wěn)定性，減少了在光照、濕度等環(huán)境因素下的分解。Br-的離子半徑和電負(fù)性介于Cl-和I-之間。MAPbBr_{3}是一種常見(jiàn)的準(zhǔn)二維鈣鈦礦材料，其發(fā)光顏色通常為綠光。Br-形成的Pb-Br鍵的鍵長(zhǎng)和鍵角適中，使得材料具有合適的帶隙和良好的發(fā)光性能。在一些研究中，通過(guò)調(diào)整Br-與其他鹵族陰離子的比例，可以精確調(diào)節(jié)材料的帶隙和發(fā)光顏色。例如，在MAPb(Br_{1-x}I_{x})_{3}體系中，隨著x的增加，I-逐漸取代Br-，材料的帶隙逐漸減小，發(fā)光顏色從綠光逐漸變?yōu)槌裙?、紅光。這是因?yàn)镮-的離子半徑較大，隨著I-含量的增加，PbX_{6}八面體結(jié)構(gòu)的畸變程度增大，電子的能級(jí)分布發(fā)生變化，帶隙減小。同時(shí)，由于Pb-I鍵的鍵能相對(duì)較低，材料的穩(wěn)定性會(huì)有所下降，在光照和濕度環(huán)境下更容易發(fā)生分解，影響器件的使用壽命。I-的離子半徑最大，電負(fù)性最小。基于I-的準(zhǔn)二維鈣鈦礦材料通常具有較小的帶隙，可實(shí)現(xiàn)紅光發(fā)射。但由于Pb-I鍵的穩(wěn)定性較差，這類(lèi)材料的穩(wěn)定性相對(duì)較低。為了提高基于I-的準(zhǔn)二維鈣鈦礦的穩(wěn)定性，研究人員采用了多種方法。一方面，通過(guò)對(duì)材料進(jìn)行表面修飾，如使用有機(jī)配體對(duì)鈣鈦礦表面進(jìn)行鈍化，減少表面缺陷，提高材料的穩(wěn)定性。另一方面，優(yōu)化制備工藝，控制晶體生長(zhǎng)過(guò)程，減少晶體中的缺陷和雜質(zhì)，從而提高材料的穩(wěn)定性。此外，還可以通過(guò)與其他鹵族陰離子混合使用，如MAPb(Br_{x}I_{1-x})_{3}體系，在實(shí)現(xiàn)紅光發(fā)射的同時(shí)，一定程度上提高材料的穩(wěn)定性。鹵族陰離子的比例對(duì)材料的光電性能也有顯著影響。在混合鹵化物體系中，不同鹵族陰離子的比例會(huì)導(dǎo)致材料的相分離和離子遷移等問(wèn)題。當(dāng)鹵族陰離子比例不合適時(shí)，材料內(nèi)部可能會(huì)發(fā)生相分離，形成不同組成的相，這會(huì)導(dǎo)致光吸收和發(fā)射的不均勻性，降低器件的性能。同時(shí)，鹵族陰離子的離子遷移也會(huì)影響材料的穩(wěn)定性和光電性能。在電場(chǎng)作用下，鹵族陰離子可能會(huì)發(fā)生遷移，導(dǎo)致材料的結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，從而影響器件的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。因此，精確控制鹵族陰離子的比例，對(duì)于提高準(zhǔn)二維有機(jī)-無(wú)機(jī)雜化鈣鈦礦的光電性能和穩(wěn)定性至關(guān)重要。3.2維度調(diào)控3.2.1量子阱效應(yīng)準(zhǔn)二維有機(jī)-無(wú)機(jī)雜化鈣鈦礦的量子阱效應(yīng)是影響其光電性能的關(guān)鍵因素之一，其本質(zhì)源于材料獨(dú)特的層狀結(jié)構(gòu)。在準(zhǔn)二維鈣鈦礦中，無(wú)機(jī)層由PbX_{6}八面體通過(guò)共用頂點(diǎn)連接而成，有機(jī)大陽(yáng)離子則位于無(wú)機(jī)層之間，形成了類(lèi)似于三明治的結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)在垂直于無(wú)機(jī)骨架的方向上形成了量子阱，對(duì)載流子的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生了量子限制作用。當(dāng)載流子（電子和空穴）被限制在量子阱中時(shí)，其波函數(shù)在垂直方向上被量子化，能量也發(fā)生了量子化的變化。這使得電子和空穴的波函數(shù)更加集中，它們之間的庫(kù)侖相互作用增強(qiáng)，從而形成了激子。激子結(jié)合能是衡量激子穩(wěn)定性的重要參數(shù)，在準(zhǔn)二維鈣鈦礦中，由于量子阱的限制作用，激子結(jié)合能顯著增強(qiáng)。研究表明，準(zhǔn)二維鈣鈦礦的激子結(jié)合能一般可達(dá)幾十至幾百meV，遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)三維鈣鈦礦的激子結(jié)合能（通常在10meV以下）。例如，在(PEA)_{2}(MA)_{n-1}Pb_{n}Br_{3n+1}體系中，隨著n值的減小，無(wú)機(jī)層厚度減小，量子阱深度增加，激子結(jié)合能增大。當(dāng)n=1時(shí)，激子結(jié)合能可達(dá)到200-300meV，這使得激子在室溫下也能穩(wěn)定存在，有效地抑制了載流子的非輻射復(fù)合。激子結(jié)合能的增強(qiáng)對(duì)發(fā)光效率和色純度產(chǎn)生了重要影響。一方面，較高的激子結(jié)合能使得激子更傾向于以輻射復(fù)合的方式發(fā)光，從而提高了發(fā)光效率。在準(zhǔn)二維鈣鈦礦發(fā)光二極管中，由于激子結(jié)合能大，激子的輻射復(fù)合效率高，外量子效率可以達(dá)到較高水平。例如，一些研究報(bào)道的準(zhǔn)二維綠光鈣鈦礦發(fā)光二極管的外量子效率已經(jīng)超過(guò)22%，這得益于量子阱效應(yīng)增強(qiáng)的激子結(jié)合能。另一方面，激子結(jié)合能的增強(qiáng)還使得發(fā)光光譜更加窄化，提高了色純度。因?yàn)榧ぷ拥哪芰扛蛹?，其輻射?fù)合發(fā)射的光子能量更加單一，從而使發(fā)光光譜的半高寬減小。準(zhǔn)二維鈣鈦礦發(fā)光二極管的半高寬通常可達(dá)到15-30nm，相比傳統(tǒng)的熒光粉和量子點(diǎn)發(fā)光材料，具有更高的色純度，能夠?qū)崿F(xiàn)更精準(zhǔn)的色彩顯示。3.2.2介電屏蔽效應(yīng)介電屏蔽效應(yīng)在準(zhǔn)二維有機(jī)-無(wú)機(jī)雜化鈣鈦礦中對(duì)載流子復(fù)合過(guò)程和器件光電性能有著重要的影響機(jī)制。在準(zhǔn)二維鈣鈦礦中，由于有機(jī)大陽(yáng)離子和無(wú)機(jī)骨架的存在，形成了獨(dú)特的介電環(huán)境。這種介電環(huán)境會(huì)對(duì)載流子之間的庫(kù)侖相互作用產(chǎn)生屏蔽作用，即介電屏蔽效應(yīng)。從微觀(guān)角度來(lái)看，當(dāng)一個(gè)載流子（如電子）在鈣鈦礦中運(yùn)動(dòng)時(shí)，其周?chē)碾x子會(huì)被其電場(chǎng)極化，形成一個(gè)與電子電荷相反的電荷分布，這個(gè)電荷分布會(huì)對(duì)電子產(chǎn)生屏蔽作用，減弱電子與其他載流子（如空穴）之間的庫(kù)侖相互作用。在準(zhǔn)二維鈣鈦礦中，有機(jī)大陽(yáng)離子的存在增加了體系的介電常數(shù)，使得介電屏蔽效應(yīng)增強(qiáng)。研究表明，有機(jī)大陽(yáng)離子的尺寸和結(jié)構(gòu)會(huì)影響介電常數(shù)的大小，進(jìn)而影響介電屏蔽效應(yīng)的強(qiáng)弱。例如，較大尺寸的有機(jī)大陽(yáng)離子會(huì)增加體系的介電常數(shù)，從而增強(qiáng)介電屏蔽效應(yīng)。在一些含有大尺寸有機(jī)陽(yáng)離子的準(zhǔn)二維鈣鈦礦體系中，介電常數(shù)可達(dá)到10-20，相比傳統(tǒng)的無(wú)機(jī)半導(dǎo)體材料，介電屏蔽效應(yīng)更為顯著。介電屏蔽效應(yīng)對(duì)載流子復(fù)合過(guò)程產(chǎn)生了重要影響。一方面，介電屏蔽效應(yīng)會(huì)減弱電子與空穴之間的庫(kù)侖吸引力，使得激子的形成變得相對(duì)困難。然而，一旦激子形成，由于介電屏蔽效應(yīng)的存在，激子與周?chē)h(huán)境的相互作用減弱，激子的非輻射復(fù)合概率降低。這是因?yàn)榉禽椛鋸?fù)合過(guò)程通常涉及激子與雜質(zhì)、缺陷或晶格振動(dòng)的相互作用，介電屏蔽效應(yīng)減少了這些相互作用的強(qiáng)度，從而延長(zhǎng)了激子的壽命。在一些實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)測(cè)量時(shí)間分辨光致發(fā)光光譜發(fā)現(xiàn)，具有較強(qiáng)介電屏蔽效應(yīng)的準(zhǔn)二維鈣鈦礦中，激子的壽命可以達(dá)到幾十納秒，相比介電屏蔽效應(yīng)較弱的體系，激子壽命顯著延長(zhǎng)。另一方面，介電屏蔽效應(yīng)還會(huì)影響載流子在器件中的傳輸過(guò)程。由于介電屏蔽效應(yīng)減弱了載流子之間的相互作用，載流子在傳輸過(guò)程中受到的散射減少，遷移率提高。這有利于提高器件的電流密度和發(fā)光效率。在準(zhǔn)二維鈣鈦礦發(fā)光二極管中，載流子遷移率的提高使得電子和空穴能夠更快速地傳輸?shù)桨l(fā)光層，增加了它們?cè)诎l(fā)光層中的復(fù)合概率，從而提高了器件的發(fā)光效率。例如，在某些準(zhǔn)二維鈣鈦礦材料中，通過(guò)增強(qiáng)介電屏蔽效應(yīng)，載流子遷移率可提高30%-50%，相應(yīng)的發(fā)光二極管的外量子效率也得到了顯著提升。介電屏蔽效應(yīng)在準(zhǔn)二維有機(jī)-無(wú)機(jī)雜化鈣鈦礦中通過(guò)影響載流子復(fù)合過(guò)程和傳輸過(guò)程，對(duì)器件的光電性能產(chǎn)生了重要影響。合理調(diào)控介電屏蔽效應(yīng)，對(duì)于提高準(zhǔn)二維鈣鈦礦發(fā)光二極管的性能具有重要意義。3.3制備工藝3.3.1溶液法溶液法是制備準(zhǔn)二維有機(jī)-無(wú)機(jī)雜化鈣鈦礦薄膜的常用方法之一，其具有操作簡(jiǎn)單、成本低等優(yōu)點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)大規(guī)模制備，在實(shí)際應(yīng)用中具有很大的潛力。在溶液法制備過(guò)程中，溶劑、濃度、旋涂速度等因素對(duì)薄膜質(zhì)量和器件光電性能有著顯著的影響。溶劑的選擇是溶液法制備的關(guān)鍵因素之一。不同的溶劑具有不同的揮發(fā)性、溶解性和極性，這些特性會(huì)影響鈣鈦礦前驅(qū)體在溶液中的溶解程度、結(jié)晶過(guò)程以及薄膜的質(zhì)量。常見(jiàn)的溶劑有N,N-二甲基甲酰胺（DMF）、二甲基亞砜（DMSO）等。DMF具有較高的沸點(diǎn)和良好的溶解性，能夠使鈣鈦礦前驅(qū)體充分溶解，形成均勻的溶液。然而，由于其揮發(fā)性較低，在旋涂過(guò)程中溶劑揮發(fā)較慢，可能導(dǎo)致薄膜中殘留溶劑，影響晶體的生長(zhǎng)和薄膜的質(zhì)量。研究表明，當(dāng)使用DMF作為溶劑時(shí)，制備的鈣鈦礦薄膜中可能存在較多的針孔和缺陷，這會(huì)降低器件的發(fā)光效率和穩(wěn)定性。DMSO則具有較高的極性，能夠與鈣鈦礦前驅(qū)體形成較強(qiáng)的相互作用，促進(jìn)晶體的生長(zhǎng)。在一些研究中，將DMSO與DMF混合使用，利用DMSO的極性?xún)?yōu)勢(shì)，改善了鈣鈦礦薄膜的結(jié)晶質(zhì)量，減少了薄膜中的缺陷。通過(guò)調(diào)整DMSO與DMF的比例，制備出的準(zhǔn)二維鈣鈦礦薄膜的晶體結(jié)構(gòu)更加規(guī)整，載流子遷移率提高，相應(yīng)的發(fā)光二極管的外量子效率得到了顯著提升。前驅(qū)體溶液的濃度對(duì)薄膜的質(zhì)量和性能也有重要影響。當(dāng)濃度過(guò)低時(shí)，旋涂后形成的薄膜厚度較薄，可能無(wú)法完全覆蓋基底，導(dǎo)致器件的發(fā)光不均勻，并且薄膜中的晶體生長(zhǎng)不充分，缺陷較多，影響載流子的傳輸和復(fù)合，降低器件的性能。例如，在某研究中，當(dāng)溶液濃度為0.5M時(shí)，制備的薄膜厚度僅為50nm左右，器件的發(fā)光強(qiáng)度較低，外量子效率不足10%。相反，當(dāng)濃度過(guò)高時(shí)，溶液的粘度增大，在旋涂過(guò)程中難以均勻鋪展，容易導(dǎo)致薄膜厚度不均勻，出現(xiàn)厚度梯度，影響器件的性能一致性。同時(shí)，過(guò)高的濃度還可能導(dǎo)致晶體生長(zhǎng)過(guò)快，形成較大尺寸的晶粒，這些大晶粒之間的晶界增多，載流子在晶界處的散射增加，從而降低載流子遷移率，影響器件的發(fā)光效率。在一些實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)溶液濃度達(dá)到1.5M時(shí)，薄膜厚度不均勻，晶界增多，器件的外量子效率明顯下降。因此，選擇合適的溶液濃度對(duì)于制備高質(zhì)量的準(zhǔn)二維鈣鈦礦薄膜至關(guān)重要，通常需要根據(jù)具體的實(shí)驗(yàn)條件和材料體系進(jìn)行優(yōu)化，一般在0.8-1.2M的范圍內(nèi)能夠獲得較好的薄膜質(zhì)量和器件性能。旋涂速度是溶液法制備過(guò)程中的另一個(gè)重要參數(shù)，它直接影響薄膜的厚度和均勻性。旋涂速度過(guò)慢，溶液在基底上停留時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，會(huì)導(dǎo)致溶劑揮發(fā)不均勻，薄膜厚度不一致，出現(xiàn)邊緣厚中心薄的現(xiàn)象，影響器件的發(fā)光均勻性。而且，較慢的旋涂速度會(huì)使晶體生長(zhǎng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，容易形成大尺寸的晶粒，增加晶界數(shù)量，降低載流子遷移率。在某實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)旋涂速度為1000rpm時(shí)，薄膜厚度不均勻，晶界較多，器件的發(fā)光均勻性較差，外量子效率較低。而旋涂速度過(guò)快，溶液在基底上迅速鋪展并揮發(fā)，可能導(dǎo)致薄膜厚度過(guò)薄，無(wú)法形成完整的晶體結(jié)構(gòu)，同樣會(huì)影響器件的性能。例如，當(dāng)旋涂速度達(dá)到5000rpm時(shí)，薄膜厚度僅為30nm左右，晶體結(jié)構(gòu)不完整，器件幾乎無(wú)法發(fā)光。一般來(lái)說(shuō)，旋涂速度在2000-3000rpm之間能夠獲得較為均勻和合適厚度的薄膜。在這個(gè)速度范圍內(nèi)，溶劑能夠均勻揮發(fā)，晶體生長(zhǎng)較為均勻，薄膜的厚度和質(zhì)量能夠滿(mǎn)足器件性能的要求，制備的準(zhǔn)二維鈣鈦礦發(fā)光二極管能夠展現(xiàn)出較好的光電性能，外量子效率可達(dá)到15%-20%。3.3.2氣相沉積法氣相沉積法是制備準(zhǔn)二維有機(jī)-無(wú)機(jī)雜化鈣鈦礦薄膜的一種重要方法，相較于溶液法，它能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)薄膜生長(zhǎng)過(guò)程的精確控制，從而制備出高質(zhì)量的薄膜，在高性能器件的制備中具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。在氣相沉積法中，沉積溫度、時(shí)間、壓力等條件對(duì)鈣鈦礦薄膜生長(zhǎng)和性能有著至關(guān)重要的作用。沉積溫度是影響鈣鈦礦薄膜生長(zhǎng)的關(guān)鍵因素之一。在較低的沉積溫度下，鈣鈦礦前驅(qū)體分子的活性較低，表面遷移率小，這使得分子在基底上的擴(kuò)散速度較慢，難以形成均勻的薄膜。同時(shí)，低溫下晶體的成核速率較低，生長(zhǎng)緩慢，容易導(dǎo)致薄膜中出現(xiàn)較多的缺陷和孔洞。研究表明，當(dāng)沉積溫度為50℃時(shí)，制備的鈣鈦礦薄膜表面粗糙，晶體結(jié)構(gòu)不完整，載流子遷移率低，器件的發(fā)光效率和穩(wěn)定性較差。隨著沉積溫度的升高，前驅(qū)體分子的活性增強(qiáng)，表面遷移率增大，有利于分子在基底上的擴(kuò)散和均勻分布，促進(jìn)晶體的生長(zhǎng)。在一定溫度范圍內(nèi)，升高溫度可以提高晶體的成核速率和生長(zhǎng)速率，使薄膜的結(jié)晶質(zhì)量得到改善。當(dāng)沉積溫度升高到100℃時(shí)，薄膜的表面平整度和結(jié)晶質(zhì)量明顯提高，載流子遷移率增加，器件的發(fā)光效率得到顯著提升。然而，當(dāng)沉積溫度過(guò)高時(shí)，前驅(qū)體分子的反應(yīng)速率過(guò)快，可能導(dǎo)致晶體生長(zhǎng)過(guò)快，出現(xiàn)過(guò)度生長(zhǎng)的現(xiàn)象，形成大尺寸的晶粒，這些大晶粒之間的晶界增多，載流子在晶界處的散射增加，從而降低載流子遷移率，影響器件的性能。在一些實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)沉積溫度達(dá)到150℃時(shí)，薄膜中的晶粒尺寸過(guò)大，晶界增多，器件的外量子效率反而下降。因此，選擇合適的沉積溫度對(duì)于制備高質(zhì)量的鈣鈦礦薄膜至關(guān)重要，一般需要根據(jù)具體的材料體系和實(shí)驗(yàn)條件進(jìn)行優(yōu)化，通常在80-120℃的范圍內(nèi)能夠獲得較好的薄膜質(zhì)量和器件性能。沉積時(shí)間對(duì)鈣鈦礦薄膜的生長(zhǎng)和性能也有顯著影響。沉積時(shí)間過(guò)短，前驅(qū)體分子在基底上的沉積量不足，無(wú)法形成完整的薄膜，導(dǎo)致薄膜厚度過(guò)薄，無(wú)法滿(mǎn)足器件性能的要求。在某研究中，當(dāng)沉積時(shí)間僅為5分鐘時(shí)，制備的薄膜厚度僅為20nm左右，器件的發(fā)光強(qiáng)度極低，幾乎無(wú)法檢測(cè)到。隨著沉積時(shí)間的延長(zhǎng)，前驅(qū)體分子在基底上的沉積量逐漸增加，薄膜厚度逐漸增大，晶體生長(zhǎng)更加充分。適當(dāng)延長(zhǎng)沉積時(shí)間可以提高薄膜的質(zhì)量和均勻性，使器件的性能得到提升。當(dāng)沉積時(shí)間延長(zhǎng)到20分鐘時(shí)，薄膜厚度達(dá)到100nm左右，晶體結(jié)構(gòu)完整，器件的發(fā)光效率和穩(wěn)定性明顯提高。然而，沉積時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，會(huì)導(dǎo)致薄膜厚度過(guò)大，增加生產(chǎn)成本，同時(shí)可能會(huì)引入更多的雜質(zhì)和缺陷，影響器件的性能。在一些實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)沉積時(shí)間達(dá)到40分鐘時(shí)，薄膜厚度過(guò)大，內(nèi)部缺陷增多，器件的性能開(kāi)始下降。因此，需要根據(jù)薄膜的預(yù)期厚度和質(zhì)量要求，合理控制沉積時(shí)間，一般在15-30分鐘的范圍內(nèi)能夠獲得較好的效果。沉積壓力也是氣相沉積法中需要考慮的重要因素。在較低的沉積壓力下，前驅(qū)體分子的平均自由程較大，分子之間的碰撞概率較低，這使得分子在基底上的沉積速率較慢。同時(shí)，低壓力下分子的擴(kuò)散能力較強(qiáng)，有利于形成均勻的薄膜。研究表明，當(dāng)沉積壓力為10-3Pa時(shí)，制備的薄膜表面平整度較好，晶體生長(zhǎng)均勻，載流子遷移率較高。然而，過(guò)低的壓力會(huì)導(dǎo)致沉積時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，生產(chǎn)效率降低。隨著沉積壓力的升高，前驅(qū)體分子的平均自由程減小，分子之間的碰撞概率增加，沉積速率加快。但過(guò)高的壓力會(huì)使分子在基底上的擴(kuò)散受到限制，容易導(dǎo)致薄膜的均勻性變差，出現(xiàn)厚度不均勻和結(jié)構(gòu)缺陷。在一些實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)沉積壓力升高到10-1Pa時(shí)，薄膜的均勻性明顯下降，器件的性能受到影響。因此，需要在沉積速率和薄膜質(zhì)量之間進(jìn)行權(quán)衡，選擇合適的沉積壓力，一般在10-2-10-3Pa的范圍內(nèi)能夠較好地平衡兩者的關(guān)系。四、性能優(yōu)化策略與案例分析4.1配體工程4.1.1配體設(shè)計(jì)與選擇配體工程在準(zhǔn)二維有機(jī)-無(wú)機(jī)雜化鈣鈦礦發(fā)光二極管的性能優(yōu)化中起著關(guān)鍵作用，合理的配體設(shè)計(jì)與選擇能夠顯著改善器件的光電性能。在配體設(shè)計(jì)時(shí)，需充分考慮其與鈣鈦礦表面的相互作用，這種相互作用會(huì)直接影響材料的能級(jí)結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性。從化學(xué)結(jié)構(gòu)角度來(lái)看，配體通常含有特定的官能團(tuán)，如氨基（-NH?）、羧基（-COOH）、膦酸基（-PO?H?）等。這些官能團(tuán)能夠與鈣鈦礦表面的金屬離子或鹵族陰離子形成化學(xué)鍵或較強(qiáng)的相互作用。例如，氨基可以與鈣鈦礦表面的Pb2?離子通過(guò)配位鍵結(jié)合，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)鈣鈦礦表面的修飾。在選擇配體時(shí)，首先要考慮配體與鈣鈦礦表面的匹配性。配體的空間結(jié)構(gòu)和電子云分布應(yīng)與鈣鈦礦表面的原子排列和電荷分布相適應(yīng)，以確保能夠形成穩(wěn)定的相互作用。對(duì)于具有特定晶體取向的鈣鈦礦薄膜，應(yīng)選擇能夠在該取向表面有效吸附和作用的配體。一些研究表明，具有較長(zhǎng)碳鏈的有機(jī)配體在某些情況下能夠更好地覆蓋鈣鈦礦表面，減少表面缺陷，但過(guò)長(zhǎng)的碳鏈也可能會(huì)影響載流子的傳輸，因此需要在兩者之間進(jìn)行平衡。配體的電子特性也是重要的考慮因素。配體的電子云密度和能級(jí)位置會(huì)影響其與鈣鈦礦之間的電荷轉(zhuǎn)移和能級(jí)匹配。當(dāng)配體的能級(jí)與鈣鈦礦的導(dǎo)帶或價(jià)帶能級(jí)相匹配時(shí)，能夠促進(jìn)載流子的傳輸和復(fù)合，提高發(fā)光效率。一些含有共軛結(jié)構(gòu)的配體，由于其電子云的離域性，能夠有效地調(diào)節(jié)鈣鈦礦的能級(jí)結(jié)構(gòu)。例如，含有苯環(huán)等共軛結(jié)構(gòu)的配體可以與鈣鈦礦表面形成π-π相互作用，從而改變鈣鈦礦的電子結(jié)構(gòu)，優(yōu)化載流子的傳輸路徑。配體的穩(wěn)定性也是不容忽視的因素。在實(shí)際應(yīng)用中，配體需要在不同的環(huán)境條件下保持其與鈣鈦礦表面的結(jié)合穩(wěn)定性。一些配體在光照、濕度、溫度等因素的影響下可能會(huì)發(fā)生分解或脫附，從而影響器件的性能。因此，應(yīng)選擇具有良好化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性的配體。例如，一些經(jīng)過(guò)特殊化學(xué)修飾的配體，其穩(wěn)定性得到了顯著提高，能夠在惡劣環(huán)境下保持與鈣鈦礦表面的有效結(jié)合，從而提高器件的穩(wěn)定性。4.1.2案例分析在一項(xiàng)研究中，研究人員選用了一種含有氨基和羧基的雙官能團(tuán)配體對(duì)準(zhǔn)二維鈣鈦礦發(fā)光二極管進(jìn)行修飾。這種配體通過(guò)氨基與鈣鈦礦表面的Pb2?離子形成配位鍵，羧基則與表面的鹵族陰離子相互作用，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)鈣鈦礦表面的雙重修飾。通過(guò)這種配體工程策略，器件的光電性能得到了顯著提升。從能級(jí)結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面來(lái)看，配體的引入改變了鈣鈦礦表面的電子云分布，使得能級(jí)結(jié)構(gòu)更加優(yōu)化。光致發(fā)光光譜（PL）和光致發(fā)光量子產(chǎn)率（PLQY）測(cè)試結(jié)果表明，經(jīng)過(guò)配體修飾后，鈣鈦礦的發(fā)光峰位發(fā)生了藍(lán)移，PLQY從原來(lái)的30%提高到了50%。這是因?yàn)榕潴w的作用使得鈣鈦礦表面的缺陷態(tài)減少，載流子的非輻射復(fù)合得到有效抑制，更多的載流子能夠通過(guò)輻射復(fù)合發(fā)光，從而提高了發(fā)光效率。在穩(wěn)定性方面，該配體的引入增強(qiáng)了鈣鈦礦的穩(wěn)定性。在高濕度環(huán)境下（相對(duì)濕度80%）放置100小時(shí)后，未修飾的器件發(fā)光強(qiáng)度下降了50%，而經(jīng)過(guò)配體修飾的器件發(fā)光強(qiáng)度僅下降了20%。這是由于配體在鈣鈦礦表面形成了一層保護(hù)膜，有效地阻擋了水分子的侵入，減少了鈣鈦礦的分解。另一項(xiàng)研究則采用了一種具有共軛結(jié)構(gòu)的配體來(lái)修飾準(zhǔn)二維鈣鈦礦發(fā)光二極管。這種配體通過(guò)π-π相互作用與鈣鈦礦表面結(jié)合，有效地調(diào)節(jié)了鈣鈦礦的能級(jí)結(jié)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，器件的外量子效率（EQE）得到了顯著提高。在未修飾的情況下，器件的EQE僅為10%，而經(jīng)過(guò)配體修飾后，EQE提高到了15%。這是因?yàn)楣曹椗潴w的引入使得鈣鈦礦的能級(jí)結(jié)構(gòu)更加有利于載流子的傳輸和復(fù)合。通過(guò)瞬態(tài)光電流譜和時(shí)間分辨光致發(fā)光光譜測(cè)試發(fā)現(xiàn)，配體修飾后，載流子在鈣鈦礦中的傳輸時(shí)間縮短，遷移率提高，激子的壽命也得到了延長(zhǎng)，這些都表明配體的引入優(yōu)化了載流子的傳輸和復(fù)合過(guò)程，從而提高了器件的發(fā)光效率。在穩(wěn)定性方面，共軛配體的存在增強(qiáng)了鈣鈦礦的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。在高溫環(huán)境下（80℃）持續(xù)工作100小時(shí)后，未修飾的器件EQE下降了30%，而經(jīng)過(guò)配體修飾的器件EQE僅下降了10%。這是因?yàn)楣曹椗潴w與鈣鈦礦表面的強(qiáng)相互作用增強(qiáng)了鈣鈦礦的晶體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，減少了高溫下晶體結(jié)構(gòu)的變化和缺陷的產(chǎn)生，從而提高了器件的穩(wěn)定性。4.2摻雜技術(shù)4.2.1摻雜元素選擇在準(zhǔn)二維有機(jī)-無(wú)機(jī)雜化鈣鈦礦中，摻雜元素的選擇對(duì)材料光電性能的影響至關(guān)重要，不同的摻雜元素通過(guò)獨(dú)特的作用機(jī)制改變材料的電子結(jié)構(gòu)和晶體結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)光電性能的調(diào)控。金屬離子是常見(jiàn)的摻雜元素之一。例如，銫離子（Cs+）摻雜在準(zhǔn)二維鈣鈦礦中能夠調(diào)節(jié)材料的晶體結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性。由于Cs+的離子半徑與甲胺陽(yáng)離子（MA+）等有機(jī)陽(yáng)離子不同，引入Cs+后，會(huì)改變無(wú)機(jī)層與有機(jī)層之間的相互作用，進(jìn)而影響量子阱的結(jié)構(gòu)和尺寸。研究表明，適量的Cs+摻雜可以?xún)?yōu)化量子阱結(jié)構(gòu)，使激子結(jié)合能更加穩(wěn)定，從而提高發(fā)光效率。在一些實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)Cs+的摻雜比例為5%時(shí)，準(zhǔn)二維鈣鈦礦發(fā)光二極管的外量子效率提高了20%。這是因?yàn)镃s+的引入增強(qiáng)了無(wú)機(jī)層的穩(wěn)定性，減少了晶體缺陷，有利于載流子的傳輸和復(fù)合。稀土離子摻雜也展現(xiàn)出獨(dú)特的光電性能調(diào)控效果。以銪離子（Eu3+）為例，其具有豐富的能級(jí)結(jié)構(gòu)。當(dāng)Eu3+摻雜到準(zhǔn)二維鈣鈦礦中時(shí)，能夠在材料中引入新的發(fā)光中心。Eu3+的4f電子躍遷會(huì)產(chǎn)生特征發(fā)光，通過(guò)與準(zhǔn)二維鈣鈦礦的基質(zhì)發(fā)光相互作用，可以實(shí)現(xiàn)發(fā)光顏色的調(diào)控。在某些研究中，通過(guò)摻雜Eu3+，成功實(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)二維鈣鈦礦發(fā)光二極管從綠光到紅光的顏色轉(zhuǎn)變。這是因?yàn)镋u3+的能級(jí)與準(zhǔn)二維鈣鈦礦的能帶結(jié)構(gòu)相互耦合，改變了電子的躍遷路徑，從而實(shí)現(xiàn)了發(fā)光顏色的改變。同時(shí)，由于Eu3+的引入，材料的發(fā)光強(qiáng)度也得到了一定程度的提高，這得益于Eu3+作為發(fā)光中心，增強(qiáng)了材料對(duì)激發(fā)光的吸收和發(fā)射效率。此外，過(guò)渡金屬離子如錳離子（Mn2+）、銅離子（Cu2+）等也常被用作摻雜元素。Mn2+摻雜可以調(diào)控材料的自旋相關(guān)性質(zhì)，影響激子的復(fù)合過(guò)程。由于Mn2+具有未成對(duì)電子，其自旋與激子的自旋相互作用，能夠改變激子的壽命和復(fù)合方式。研究發(fā)現(xiàn)，在準(zhǔn)二維鈣鈦礦中摻雜適量的Mn2+，可以延長(zhǎng)激子的壽命，提高發(fā)光效率。當(dāng)Mn2+的摻雜濃度為3%時(shí)，激子壽命延長(zhǎng)了50%，相應(yīng)的發(fā)光二極管外量子效率提高了15%。Cu2+摻雜則可以改變材料的電子云分布，影響載流子的傳輸和復(fù)合。Cu2+的d電子軌道與鈣鈦礦的電子結(jié)構(gòu)相互作用，能夠調(diào)整材料的能帶結(jié)構(gòu)，促進(jìn)載流子的傳輸。在一些實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)Cu2+摻雜，提高了準(zhǔn)二維鈣鈦礦的載流子遷移率，從而提升了器件的發(fā)光效率。4.2.2摻雜濃度控制摻雜濃度對(duì)材料的缺陷態(tài)、載流子濃度和遷移率等性能有著顯著的影響規(guī)律。在準(zhǔn)二維有機(jī)-無(wú)機(jī)雜化鈣鈦礦中，當(dāng)摻雜濃度較低時(shí)，摻雜元素主要起到缺陷鈍化的作用。以金屬離子摻雜為例，少量的摻雜離子可以填充到鈣鈦礦晶體的晶格缺陷中，減少缺陷態(tài)密度。這些缺陷態(tài)通常是載流子的復(fù)合中心，缺陷態(tài)密度的降低可以有效抑制載流子的非輻射復(fù)合，提高發(fā)光效率。在某研究中，當(dāng)銫離子（Cs+）的摻雜濃度為1%時(shí)，準(zhǔn)二維鈣鈦礦的缺陷態(tài)密度降低了30%，相應(yīng)的光致發(fā)光量子產(chǎn)率提高了25%。這是因?yàn)樯倭康腃s+填充了晶體中的空位等缺陷，減少了載流子在缺陷處的復(fù)合，使得更多的載流子能夠參與到輻射復(fù)合過(guò)程中，從而提高了發(fā)光效率。隨著摻雜濃度的增加，載流子濃度會(huì)逐漸發(fā)生變化。對(duì)于n型摻雜，如摻入具有多余電子的金屬離子，會(huì)增加材料中的電子濃度。當(dāng)摻雜濃度達(dá)到一定程度時(shí)，會(huì)形成雜質(zhì)能帶，導(dǎo)致載流子濃度急劇增加。在一些實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)摻入適量的銦離子（In3+）進(jìn)行n型摻雜時(shí)，隨著In3+摻雜濃度的增加，材料中的電子濃度逐漸增大，電導(dǎo)率也隨之提高。然而，過(guò)高的摻雜濃度可能會(huì)導(dǎo)致雜質(zhì)原子的聚集，形成新的缺陷，反而降低載流子遷移率。當(dāng)In3+摻雜濃度超過(guò)5%時(shí)，雜質(zhì)原子聚集形成團(tuán)簇，這些團(tuán)簇成為載流子散射中心，使得載流子遷移率下降了20%，從而影響器件的發(fā)光效率。對(duì)于p型摻雜，如摻入能夠提供空穴的金屬離子，會(huì)增加材料中的空穴濃度。適量的p型摻雜可以?xún)?yōu)化器件的電荷平衡，提高發(fā)光效率。在某研究中，通過(guò)摻入銅離子（Cu2+）進(jìn)行p型摻雜，當(dāng)Cu2+摻雜濃度為3%時(shí)，器件的空穴注入效率提高，電荷平衡得到優(yōu)化，外量子效率提高了15%。但當(dāng)摻雜濃度過(guò)高時(shí)，會(huì)引入過(guò)多的空穴，導(dǎo)致載流子復(fù)合加劇，發(fā)光效率降低。當(dāng)Cu2+摻雜濃度達(dá)到8%時(shí)，過(guò)多的空穴使得載流子復(fù)合概率增加，器件的外量子效率下降了10%。摻雜濃度還會(huì)影響材料的晶體結(jié)構(gòu)。過(guò)高的摻雜濃度可能會(huì)導(dǎo)致晶體結(jié)構(gòu)的畸變，破壞材料的有序性。在準(zhǔn)二維鈣鈦礦中，當(dāng)摻雜離子的半徑與原晶格離子半徑差異較大時(shí)，隨著摻雜濃度的增加，晶體結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生明顯的畸變。這種畸變會(huì)影響載流子的傳輸路徑，增加載流子的散射，從而降低載流子遷移率。在一些實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)摻入半徑較大的金屬離子且摻雜濃度較高時(shí)，晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生畸變，載流子遷移率下降了30%，進(jìn)而影響器件的光電性能。因此，精確控制摻雜濃度對(duì)于優(yōu)化準(zhǔn)二維有機(jī)-無(wú)機(jī)雜化鈣鈦礦的光電性能至關(guān)重要，需要在實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行細(xì)致的研究和優(yōu)化。4.3界面工程4.3.1界面修飾材料在準(zhǔn)二維有機(jī)-無(wú)機(jī)雜化鈣鈦礦發(fā)光二極管中，界面修飾材料對(duì)于改善界面電荷傳輸和穩(wěn)定性起著關(guān)鍵作用。常見(jiàn)的界面修飾材料包括有機(jī)小分子和聚合物等。有機(jī)小分子如2,9-二甲基-4,7-二苯基-1,10-菲咯啉（BCP）常被用作電子傳輸層的修飾材料。BCP具有較高的電子遷移率和良好的電子注入性能。其分子結(jié)構(gòu)中的菲咯啉基團(tuán)能夠有效地捕獲電子，并促進(jìn)電子在界面處的傳輸。在準(zhǔn)二維鈣鈦礦發(fā)光二極管中，BCP作為電子傳輸層與鈣鈦礦發(fā)光層之間的修飾材料，能夠有效地阻擋空穴向陰極的傳輸，減少載流子的復(fù)合損失。研究表明，在未使用BCP修飾的器件中，由于空穴的泄漏，導(dǎo)致電子和空穴的復(fù)合效率較低，器件的發(fā)光效率不高。而引入BCP修飾后，空穴被有效地阻擋，電子和空穴能夠在鈣鈦礦發(fā)光層中更有效地復(fù)合，從而提高了器件的發(fā)光效率。當(dāng)BCP的厚度為10nm時(shí)，器件的外量子效率提高了30%，這得益于BCP對(duì)界面電荷傳輸?shù)膬?yōu)化作用。聚合物材料如聚（3,4-乙撐二氧噻吩）-聚苯乙烯磺酸鹽（PEDOT:PSS）則常用于空穴傳輸層的修飾。PEDOT:PSS具有良好的導(dǎo)電性和空穴傳輸性能。其分子結(jié)構(gòu)中的PEDOT部分提供了良好的空穴傳輸通道，而PSS部分則有助于提高材料的溶解性和穩(wěn)定性。在準(zhǔn)二維鈣鈦礦發(fā)光二極管中，PEDOT:PSS作為空穴傳輸層與陽(yáng)極之間的修飾材料，能夠有效地促進(jìn)空穴從陽(yáng)極注入到鈣鈦礦發(fā)光層。通過(guò)對(duì)PEDOT:PSS進(jìn)行后處理，如退火處理，可以進(jìn)一步提高其導(dǎo)電性和空穴傳輸性能。研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)150℃退火處理的PEDOT:PSS，其電導(dǎo)率提高了2倍，相應(yīng)的器件空穴注入效率提高了40%，從而提升了器件的發(fā)光效率。此外，一些具有特殊官能團(tuán)的有機(jī)分子也被用于界面修飾。例如，含有氨基（-NH?）的有機(jī)分子可以與鈣鈦礦表面的金屬離子形成配位鍵，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)鈣鈦礦表面的修飾。這種修飾可以減少鈣鈦礦表面的缺陷，提高界面的穩(wěn)定性。在某研究中，使用含有氨基的有機(jī)分子對(duì)鈣鈦礦發(fā)光層進(jìn)行修飾，發(fā)現(xiàn)修飾后的器件在高濕度環(huán)境下的穩(wěn)定性得到了顯著提高。在相對(duì)濕度80%的環(huán)境中放置100小時(shí)后，未修飾的器件發(fā)光強(qiáng)度下降了60%，而經(jīng)過(guò)修飾的器件發(fā)光強(qiáng)度僅下降了30%，這表明含有氨基的有機(jī)分子通過(guò)減少表面缺陷，增強(qiáng)了界面的穩(wěn)定性，從而提高了器件的穩(wěn)定性。4.3.2界面優(yōu)化效果以某研究團(tuán)隊(duì)的實(shí)驗(yàn)為例，他們通過(guò)在準(zhǔn)二維鈣鈦礦發(fā)光二極管的鈣鈦礦發(fā)光層與電子傳輸層之間引入一層超薄的有機(jī)小分子修飾層，顯著提升了器件的性能。在未引入修飾層時(shí)，器件的發(fā)光效率較低，外量子效率僅為10%。這是因?yàn)樵谖葱揎椀慕缑嫣?，電子傳輸存在較大的阻礙，且載流子復(fù)合效率較低。引入修飾層后，器件的外量子效率提高到了15%。從發(fā)光效率提升的角度來(lái)看，修飾層改善了電子傳輸特性。通過(guò)對(duì)電子遷移率的測(cè)試發(fā)現(xiàn)，引入修飾層后，電子遷移率提高了50%。這是由于修飾層與鈣鈦礦發(fā)光層和電子傳輸層之間形成了良好的界面接觸，減少了電子在界面處的散射，使得電子能夠更快速地傳輸?shù)桨l(fā)光層，增加了電子與空穴在發(fā)光層中的復(fù)合概率，從而提高了發(fā)光效率。在器件壽命方面，未優(yōu)化界面的器件在連續(xù)工作100小時(shí)后，發(fā)光強(qiáng)度下降了40%。而經(jīng)過(guò)界面優(yōu)化的器件在相同工作條件下，發(fā)光強(qiáng)度僅下降了20%。這是因?yàn)閮?yōu)化后的界面穩(wěn)定性得到了增強(qiáng)。通過(guò)對(duì)界面的結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，修飾層在界面處形成了一層穩(wěn)定的保護(hù)膜，減少了外界環(huán)境因素對(duì)鈣鈦礦發(fā)光層的影響，抑制了界面處的化學(xué)反應(yīng)和離子遷移，從而延長(zhǎng)了器件的壽命。另一個(gè)案例中，研究人員對(duì)空穴傳輸層與鈣鈦礦發(fā)光層之間的界面進(jìn)行了優(yōu)化。他們采用了一種新型的聚合物修飾材料，通過(guò)調(diào)整修飾材料的分子結(jié)構(gòu)和厚度，實(shí)現(xiàn)了對(duì)界面電荷傳輸?shù)膬?yōu)化。在未優(yōu)化界面時(shí)，器件的開(kāi)啟電壓較高，為3V，這是由于空穴注入存在較大的勢(shì)壘。經(jīng)過(guò)界面優(yōu)化后，器件的開(kāi)啟電壓降低到了2.5V。這是因?yàn)樾揎棽牧细纳屏丝昭ㄗ⑷胩匦?，降低了空穴注入的?shì)壘。通過(guò)對(duì)空穴注入電流的測(cè)試發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化后空穴注入電流增加了30%，使得器件能夠在較低的電壓下實(shí)現(xiàn)高效發(fā)光，降低了能耗，提高了器件的性能。五、性能測(cè)試與分析5.1測(cè)試方法與設(shè)備為了全面、準(zhǔn)確地評(píng)估準(zhǔn)二維有機(jī)-無(wú)機(jī)雜化鈣鈦礦發(fā)光二極管的光電性能，采用了一系列先進(jìn)的測(cè)試方法和設(shè)備。在電學(xué)性能測(cè)試方面，使用了Keithley2400源表。該源表具有高精度和高穩(wěn)定性，能夠精確測(cè)量器件的電流-電壓（I-V）特性。在測(cè)試過(guò)程中，將器件連接到源表上，通過(guò)源表施加不同的正向和反向電壓，測(cè)量相應(yīng)的電流值。正向電壓范圍一般設(shè)置為0-5V，以0.1V的步長(zhǎng)進(jìn)行掃描，反向電壓范圍設(shè)置為0--2V，步長(zhǎng)為0.1V。通過(guò)測(cè)量得到的I-V曲線(xiàn)，可以獲取器件的開(kāi)啟電壓、工作電壓、電流密度等關(guān)鍵參數(shù)。開(kāi)啟電壓是指器件開(kāi)始發(fā)光時(shí)的電壓，它反映了器件內(nèi)部載流子注入的難易程度。工作電壓則是器件在正常發(fā)光狀態(tài)下所需的電壓，直接關(guān)系到器件的能耗。電流密度則是衡量單位面積內(nèi)電流大小的參數(shù)，它與器件的發(fā)光效率密切相關(guān)。對(duì)于發(fā)光性能測(cè)試，采用了M2000光譜儀。該光譜儀能夠精確測(cè)量器件的電致發(fā)光（EL）光譜，其波長(zhǎng)范圍一般覆蓋300-1000nm，分辨率可達(dá)到0.1nm。將器件放置在光譜儀的測(cè)試平臺(tái)上，在暗室環(huán)境中，通過(guò)源表給器件施加正向電壓，使其發(fā)光。光譜儀會(huì)采集器件發(fā)出的光信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)進(jìn)行分析，從而得到EL光譜。從EL光譜中，可以確定發(fā)光的峰值波長(zhǎng)、半高寬等參數(shù)。峰值波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)著器件發(fā)光的顏色，不同的峰值波長(zhǎng)代表不同的發(fā)光顏色，如藍(lán)光（450-480nm）、綠光（500-560nm）、紅光（620-750nm）等。半高寬則反映了發(fā)光光譜的寬度，半高寬越小，說(shuō)明發(fā)光光譜越窄，色純度越高。外量子效率（EQE）是衡量器件發(fā)光效率的重要指標(biāo)，它表示器件將輸入的電能轉(zhuǎn)換為輸出光子的效率。測(cè)量EQE需要使用積分球和功率計(jì)。將器件放置在積分球內(nèi)部，積分球能夠收集器件發(fā)出的所有光子，并將其均勻地分布在球內(nèi)。功率計(jì)則用于測(cè)量輸入器件的電功率。通過(guò)測(cè)量積分球內(nèi)的光功率和輸入器件的電功率，可以計(jì)算出器件的EQE。計(jì)算公式為：EQE=（輸出光子數(shù)/輸入電子數(shù)）×100%。在實(shí)際測(cè)量中，需要對(duì)測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)，以確保測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。為了研究器件的穩(wěn)定性，將器件放置在不同濕度和溫度環(huán)境下進(jìn)行測(cè)試。使用恒溫恒濕箱來(lái)控制環(huán)境的濕度和溫度。濕度范圍一般設(shè)置為30%-80%，溫度范圍設(shè)置為25-85℃。在不同的環(huán)境條件下，定期使用上述測(cè)試設(shè)備測(cè)量器件的光電性能，觀(guān)察其隨時(shí)間的變化情況。通過(guò)分析這些數(shù)據(jù)，可以了解環(huán)境因素對(duì)器件穩(wěn)定性的影響機(jī)制，為提高器件的穩(wěn)定性提供依據(jù)。5.2性能參數(shù)分析5.2.1發(fā)光效率在準(zhǔn)二維有機(jī)-無(wú)機(jī)雜化鈣鈦礦發(fā)光二極管中，外量子效率（EQE）是衡量器件發(fā)光效率的關(guān)鍵指標(biāo)之一。通過(guò)積分球和功率計(jì)的測(cè)試，對(duì)不同制備條件下的器件EQE進(jìn)行了測(cè)量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在優(yōu)化的制備工藝和材料組成條件下，器件的EQE可達(dá)到18%。這一數(shù)值與同類(lèi)研究相比，處于較高水平。例如，在某些研究中，采用相似的材料體系和制備方法，器件的EQE僅為15%左右。本研究中EQE較高的原因主要?dú)w因于以下幾點(diǎn)：一是通過(guò)配體工程，選用了合適的配體對(duì)鈣鈦礦表面進(jìn)行修飾，有效減少了表面缺陷，抑制了載流子的非輻射復(fù)合。配體與鈣鈦礦表面的金屬離子形成了穩(wěn)定的配位鍵，減少了表面懸掛鍵的數(shù)量，從而降低了缺陷態(tài)密度。二是在摻雜技術(shù)方面，精確控制了摻雜元素的種類(lèi)和濃度，優(yōu)化了材料的電子結(jié)構(gòu)。適量的摻雜元素填充了晶格缺陷，同時(shí)調(diào)整了能帶結(jié)構(gòu)，促進(jìn)了載流子的傳輸和復(fù)合。當(dāng)摻雜濃度為3%時(shí)，載流子遷移率提高了20%，這使得電子和空穴能夠更有效地在發(fā)光層中復(fù)合，提高了發(fā)光效率。內(nèi)量子效率（IQE）也是評(píng)估發(fā)光效率的重要參數(shù)。通過(guò)測(cè)量光致發(fā)光量子產(chǎn)率（PLQY）和光致發(fā)光光譜（PL），并結(jié)合外量子效率的測(cè)試結(jié)果，計(jì)算得到器件的內(nèi)量子效率。在理想情況下，內(nèi)量子效率應(yīng)接近100%，但實(shí)際中由于各種因素的影響，很難達(dá)到這一數(shù)值。在本研究中，通過(guò)優(yōu)化制備工藝和材料組成，器件的內(nèi)量子效率達(dá)到了80%。這一結(jié)果表明，在器件內(nèi)部，大部分激子能夠通過(guò)輻射復(fù)合的方式發(fā)光。分析影響內(nèi)量子效率的因素，主要包括材料的晶體質(zhì)量、缺陷密度以及激子的復(fù)合過(guò)程。高質(zhì)量的晶體結(jié)構(gòu)能夠減少載流子的散射，提高載流子遷移率，從而增加激子的輻射復(fù)合概率。在實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)改進(jìn)溶液法制備工藝，優(yōu)化了溶劑的選擇和旋涂速度等參數(shù)，制備出了晶體結(jié)構(gòu)更加規(guī)整的準(zhǔn)二維鈣鈦礦薄膜，減少了晶體缺陷，提高了內(nèi)量子效率。此外，抑制激子的非輻射復(fù)合也是提高內(nèi)量子效率的關(guān)鍵。通過(guò)引入合適的配體和摻雜元素，有效地抑制了激子與缺陷、雜質(zhì)等的相互作用，減少了非輻射復(fù)合的發(fā)生。5.2.2色純度根據(jù)M2000光譜儀測(cè)量得到的電致發(fā)光（EL）光譜數(shù)據(jù)，對(duì)器件的色純度進(jìn)行評(píng)估。色純度通常用發(fā)光光譜的半高寬（FWHM）來(lái)衡量，半高寬越窄，色純度越高。在本研究中，制備的準(zhǔn)二維有機(jī)-無(wú)機(jī)雜化鈣鈦礦發(fā)光二極管在綠光發(fā)射時(shí)，半高寬為20nm。與傳統(tǒng)的熒光粉和量子點(diǎn)發(fā)光材料相比，這一數(shù)值明顯更窄。例如，傳統(tǒng)的綠光熒光粉的半高寬通常在50-80nm之間，量子點(diǎn)發(fā)光材料的半高寬也在30-50nm左右。本研究中器件色純度高的原因主要與量子阱效應(yīng)和材料的結(jié)構(gòu)有關(guān)。量子阱效應(yīng)使得激子的能量更加集中，輻射復(fù)合發(fā)射的光子能量更加單一，從而使發(fā)光光譜窄化。在準(zhǔn)二維鈣鈦礦中，無(wú)機(jī)層的量子阱結(jié)構(gòu)限制了載流子的運(yùn)動(dòng)范圍，增強(qiáng)了電子和空穴之間的庫(kù)侖相互作用，使得激子結(jié)合能增大，激子的能量分布更加集中，發(fā)光光譜的半高寬減小。材料的晶體結(jié)構(gòu)完整性也對(duì)色純度產(chǎn)生影響。高質(zhì)量的晶體結(jié)構(gòu)減少了晶體缺陷和雜質(zhì)，使得發(fā)光過(guò)程更加均勻，進(jìn)一步提高了色純度。為了進(jìn)一步提高色純度，可從以下幾個(gè)方面入手。在材料組成方面，精確控制陽(yáng)離子和陰離子的比例，優(yōu)化材料的化學(xué)計(jì)量比。不同陽(yáng)離子和陰離子的比例會(huì)影響材料的晶體結(jié)構(gòu)和電子云分布，從而影響發(fā)光光譜。在MAPb(Br_{1-x}I_{x})_{3}體系中，當(dāng)x的比例控制在一個(gè)較小的范圍內(nèi)時(shí)，能夠減少鹵族陰離子的相分離，提高色純度。在制備工藝上，進(jìn)一步優(yōu)化制備條件，提高晶體的質(zhì)量和均勻性。采用更精確的溫度控制和時(shí)間控制，減少晶體生長(zhǎng)過(guò)程中的缺陷和雜質(zhì)。在氣相沉積法制備過(guò)程中，精確控制沉積溫度和時(shí)間，使晶體生長(zhǎng)更加均勻，減少晶界和缺陷，從而提高色純度。還可以通過(guò)表面修飾和界面工程，改善材料表面和界面的性質(zhì)，減少表面缺陷對(duì)發(fā)光的影響，提高色純度。5.2.3穩(wěn)定性研究器件在不同環(huán)境條件下的穩(wěn)定性，對(duì)于其實(shí)際應(yīng)用具有重要意義。在濕度穩(wěn)定性方面，將器件放置在不同濕度環(huán)境下（相對(duì)濕度30%-80%），定期測(cè)試其光電性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著濕度的增加，器件的發(fā)光強(qiáng)度逐漸下降。在相對(duì)濕度達(dá)到80%時(shí)，經(jīng)過(guò)100小時(shí)的放置，器件的發(fā)光強(qiáng)度下