Study on Synthesis, Optical Properties, and Device Applications of Inorganic Luminescent Perovskites

Abstract

화학식이 ABX3인 페로브스카이트는 다양한 흥미로운 특성과 응용 가능성으로 인해 점점 더 주목을 받고 있다. 페로브스카이트 일반식 ABX3에서 X는 일반적으로 할로겐 또는 산소를 나타낸다. 상기 일반식 ABX3의 X 원소에 따르면, 페로브스카이트는 할로겐화 페로브스카이트와 페로브스카이트형 산화물의 두 종류로 나눌 수 있으며, 여기서 상기 X는 각각 할로겐화 산소와 산소를 나타낸다. 할로겐화 페로브스크빗에서 A는 1가 양이온(유기: CH3NH3+(MA+), CH(NH2)2+(FA+) 또는 무기: Cs+ 양이온)이며, B는 보통 Pb2+ 양이온이고 X는 Cl-, Br- 또는 I-이온이다. 유기금속 할로겐화물 페로브스카이트(OHP, 여기서 A는 유기 양이온이다)는 높은 전하 캐리어 이동성, 긴 전자-홀 확산, 낮은 결함 밀도 및 조정 가능한 밴드갭과 같은 우수한 광전자 특성으로 인해 광범위한 관심을 받아왔다. 그러나 유기기의 존재로 인해 사진 및 열적 안정성의 문제가 관찰된다. 모든 무기 할로겐화물 페로브스카이트(IHP, CsPbX3)는 본질적으로 더 높은 녹는점(>500°C)과 더 나은 광안정성을 가지고 있어 IHP가 OHP를 대체할 수 있는 큰 잠재력을 가지고 있다. 2015년 Protescu.와 동료들이 CsPbX3 나노결정을 준비한 이후, [1] IHP에 대한 연구는 빠르게 발전했다. IHP 나노결정은 다양한 방법으로 합성될 수 있다. 리간드 보조 재침전(LARP) 방법은 IHP를 합성하는 일반적이고 간단한 방법이다. 본 연구에서는 모든 무기 CsPbBr3 나노플레이트렛(NPL)을 무기 리간드 NaBr로 LARP법으로 제조하였다. 흡수 스펙트럼, PL-PLE 스펙트럼, 결정 구조, 형태론, 붕괴 수명, 안정성 및 이론적 분석을 조사하였다. 무기 리간드 NaBr은 청색 방출 NPL의 합성에 중요한 역할을 한다. 무기 리간드가 없는 NPL과 비교하여 무기 리간드가 있는 NPL의 PL 피크는 481 nm에서 461 nm로 파란색으로 이동하였다. 밀도 함수 계산은 Na+ 흡착 시스템(Eads, -2.13 eV)의 흡착 에너지가 양성자화된 n-부틸아민(-1.43 eV)보다 크다는 것을 보여주며, 우리는 무기 리간드가 유기 리간드보다 NPL 표면에 더 강한 결합 친화력을 가지고 있음을 보여준다. 무기 리간드는 NPL 표면에 효율적으로 결합하여 NaBr의 과잉 Br은 NPL 표면의 결함 부위를 감소시킨다. 그리고 준비된 NPL 샘플과 상용 365nm InGaN 칩을 사용하여 블루 소스로서의 가능성을 나타내는 블루 발광 소자(LED)를 제작하였다. 페로브스카이트형 산화물에서 이중 페로브스카이트형 산화물(A2BB'O6)은 구조적 가변성이 크고 물리-화학적 함축성이 풍부하여 흥미로운 물질이다. 양이온 A와 B는 전하 균형에 따라 주기율표에 걸쳐질 수 있다. 원칙적으로 이중 페로브스카이트 산화물 후보는 약 105개이다. 1950년대 이후 103개 이상의 이중 페로브스카이트가 실험적으로 합성되었으며, 다수의 이중 페로브스카이트형 산화물이 연구되지 않은 상태로 남아 있다. 본 연구에서는 고온 고체 반응으로 희토류(RE) 이온이 도핑된 Ca2LaNbO6를 합성하였다. RE 이온은 일반적으로 활성제로 도핑되는데, 그 이유는 그 발광 특성이 독특한 전자 구성 때문에 호스트에 의해 거의 영향을 받지 않기 때문이다. 그리고 3가 사마륨 이온(Sm3+)은 자외선에 의해 들뜨면 주황색 가시광선을 방출할 수 있다. 본 연구에서는 Sm3+ 이온이 도핑된 Ca2LaNbO6 형광체를 합성하여 그 광학적 특성을 조사하였다. 분말상의 순도, 결정 구조, 형태, 원소 조성, 발광 특성, 열적 안정성, 일렉트로루미네센스 및 온도 센싱 특성을 종합적으로 분석하였다. 상업용 395 nm InGaN 칩과 최적의 Ca2LaNbO6:5%Sm3+ 형광체를 사용하여 주황색-빨간색 발광 LED 소자를 제작하여 적색 램프에서 그 잠재력을 나타냈다.|Perovskites, with the chemical formula ABX3, have gained increasing attention due to their various interesting properties and possible applications. In the perovskites general formula ABX3, X generally represents a halogen or oxygen. According to the X element in the general formula ABX3, perovskites can be divided into two types: halide perovskite and perovskite-type oxides, where the X represents a halogen and an oxygen, respectively. In halide perovskits, A is a monovalent cation (which can be either organic: CH3NH3+ (MA+), CH(NH2)2+ (FA+) or inorganic: Cs+ cation), B is usually a Pb2+ cation and X is Cl–, Br– or I– anion. The organometallic halide perovskites (OHP, where A is organic cation) have received extensive attention due to their excellent optoelectronic properties, such as high charge carrier mobility, long electron-hole diffusion, low defect densities, and tunable bandgap. However, due to the existence of organic groups, the problems of photo and thermal stabilities are observed. The all inorganic halide perovskites (IHP, CsPbX3) intrinsically have higher melting point (>500 °C) and better photostability, which make IHP have great potential to replace OHP. Since the preparation of CsPbX3 nanocrystals by Protesescu. and co-workers in 2015,[1] the researches on IHP developed rapidly. IHP nanocrystals can be synthesized by various methods. Ligand assisted reprecipitation (LARP) methods is a common and simple (usually at room temperature and air) method to synthesize IHP. In this study, all inorganic CsPbBr3 nanoplatelets (NPLs) were prepared by LARP method with the inorganic ligand NaBr. The absorption spectra, PL-PLE spectra, crystal structure, morphology, decay lifetimes, stability, and theoretical analysis were investigated. The inorganic ligands NaBr plays a key role in the synthesis of the blue-emitting NPLs. Compared with NPLs without inorganic ligands, the PL peak of NPLs with inorganic ligands blue-shifted from 481 nm to 461nm. Density functional calculations exhibit that the adsorption energy of Na+-adsorbed system (Eads, -2.13 eV) is larger than protonated n-butylamine (-1.43 eV), we demonstrate that the inorganic ligand have stronger binding affinity to the NPLs surface than organic ligand. The inorganic ligands efficiently bind to the NPL surface, controlling the NPL growth, and the excess Br from NaBr reduce the defect sites on the NPL surface. And we fabricated blue-light-emitting device (LED) using prepared NPLs samples and commercial 365nm InGaN chips, which indicated its potential as a blue-source. In perovskite-type oxides, double perovskite-type oxides (A2BB′O6) is a interesting materials due to their great structural variability and rich physical-chemical connotations. The cations, A and B, can span the periodic table, subject to charge balance. In principle, there are approximately 105 double perovskites oxides candidates. More than 103 double perovskites have been experimentally synthesized since the 1950s, and a large number of double perovskite-type oxides remain unstudied. In this study, we synthesized Ca2LaNbO6 doped with rare earth (RE) ions by a high-temperature solid-state reaction. RE ions are usually doped as activators because their luminescent properties are nearly unaffected by the host due to their unique electronic configuration. And the trivalent samarium ions (Sm3+) can emit orange-red visible light when excited by ultraviolet light. A Ca2LaNbO6 phosphor doped with Sm3+ ions was synthesized and its optical properties were investigated in the present study. The purity of the powder phase, crystal structure, morphology, elemental composition, luminescent properties, thermal stability, electroluminescence and temperature sensing properties of the phosphors were comprehensively analyzed. An orange-red emitting LED device was fabricated using a commercial 395-nm InGaN chip and the optimal Ca2LaNbO6:5%Sm3+ phosphor, indicating its potential in red lamp.