基于有机金属卤化铅钙钛矿材料作为光活性层的太阳能电池(PSCs)已经获得了25.2%的认证效率, 是除硅基太阳能电池外被认为最有可能实现商业化的太阳能电池之一。电子传输层是PSCs器件结构的最基本组成之一, 其构成材料与光活性层的成膜质量、界面电荷的快速提取以及能级匹配等密切相关。因而, 电子传输材料在PSCs的光伏性能及稳定性调控方面发挥着重要作用。本文对应用在PSCs中的金属氧化物电子传输材料进行了回顾与总结, 着重强调了材料的纳米结构与制备工艺、半导体特性与分类以及掺杂与界面修饰等方面的研究进展, 并对其今后的发展进行了展望。

无机纳米发光材料由于其独特的发光性质, 具有广泛的应用前景。本文结合作者的科研经历, 展望了无机纳米发光材料未来的发展机遇和挑战, 聚焦该领域前沿“痛点”和“冷门”, 探讨研究工作如何面向国家重大需求。倡议科学家应走出自己的研究舒适区, 树立自己的标签性工作, 共同推进无机纳米发光材料研究的可持续发展。

稀土发光材料是照明、显示和信息探测器件的核心组成部分。中国已经连续多年成为稀土发光材料生产和消费第一大国。本文重点介绍了稀土发光材料发展现状, 指出了其在超高色域显示、全光谱健康照明和荧光转换型近红外光源等领域的发展趋势, 并针对目前我国稀土发光材料领域存在的原始创新能力不足、目标导向性差、产学研协同创新乏力等核心问题, 提出通过集聚优势力量搭建协同创新技术平台, 以技术创新和终端应用需求为双驱动力, 实现从“跟并跑”到“领跑”的跨越之路。

科技创新的根源是基于基础科学研究的提升, 而“从0到1”的突破是需要长期的积累和灵感的。本文讲述了发现压力诱导发光这一新现象的思想和材料设计。

采用高温固相法在单一基质中制备了具有多模态发光特性的系列荧光粉BaGa2Si2O8∶Eu2+,Eu3+,Pr3+, 掺入适量的Pr3+可显著改善荧光粉的余辉发光性能。结果表明, 该系列荧光粉在254 nm或365 nm的光激发下, 具有不同颜色的光致发光和余辉发光, 体现出多模发光特征; 同时该系列荧光粉的余辉发光还具有不同的衰减时间。根据这些发光特性, 选用合适的荧光粉制作了系列发光图案。相关典型应用示例表明, 该发光图案的多模发光特征可应用于发光防伪应用, 而基于其差异化的余辉衰减特性, 还可以设计出可动态变化的余辉发光图案, 从而增加发光防伪和加密的安全层级。

采用高温固相法制备了一系列单基质荧光粉NaLa1-x-yMgWO6∶xDy3+/yBi3+ (x=0.01, 0.02, 0.04, 0.06;y=0.01, 0.02, 0.04, 0.06)。通过对Dy3+/Bi3+双掺杂浓度进行优化, Bi3+离子的掺杂不仅可以有效增强荧光粉的发光强度, 还实现了发光颜色的可调。通过对系列NaLaMgWO6∶xDy3+/0.02Bi3+样品的荧光衰减曲线的分析可知, Dy3+离子浓度从1%增加到6%, Bi3+离子的荧光寿命逐渐减少, 从而有力地证明了NaLaMgWO6∶Bi3+/Dy3+荧光粉中存在Bi3+→Dy3+的能量传递过程。另外, 通过电多极相互作用公式计算可知, Bi3+→Dy3+能量传递过程为偶极-偶极的相互作用, 最优Bi3+/Dy3+掺杂样品的能量传递效率达到42.67%。在紫外光的有效激发下, 通过改变Dy3+离子掺杂浓度, NaLaMgWO6∶Bi3+/Dy3+荧光粉可以实现白光发射。研究证明NaLaMgWO6∶Bi3+/Dy3+荧光粉是一种具有潜在应用前景的白光发光材料。

采用高温固相法合成了一系列蓝光荧光粉Gd2-xMgTiO6∶xBi3+ (0.002 5≤x≤0.015), 并对样品的表面形貌、晶体结构、发光性能和热稳定性进行了探究。SEM测试结果显示, 样品Gd2MgTiO6∶Bi3+的粒径分布范围大, 颗粒尺寸在1~5 μm范围。XRD测试表明, Bi3+成功掺杂进入基质Gd2MgTiO6中且无杂相产生。荧光光谱测试结果表明, 在375 nm波长激发下, 蓝光荧光粉Gd2MgTiO6∶Bi3+于385~500 nm波长范围内呈现出属于Bi3+的1S0→3P1能级跃迁的窄带发射峰,且发射强度最大处位于418 nm, 这有利于避免光的重吸收现象。不同掺杂浓度下样品的发射光谱研究表明, 最佳Bi3+掺杂浓度为x=0.007 5。此外, 发光强度最佳的蓝光样品Gd1.9925MgTiO6∶0.0075Bi3+的CIE坐标为(0.162 9,0.036 4), 位于蓝光区域, 色纯度高达96.42%, 平均荧光寿命高达11.29 ms。样品的热稳定性高于文献报道的同类样品。这些均说明该样品是一种发光性能和热稳定性能良好的W-LEDs用蓝光组分。

氟氧化物兼有氧化物优异的稳定性和氟化物的低声子能量, 是上转换发光材料的一种热点基质材料, 因而研究六方相LaOF∶Er,Yb的上转换发光性能及其温度特性具有重要意义。本文采用水热法制备了六方相LaOF∶Er,Yb荧光材料, 通过X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)和荧光光谱对其结构和上转换荧光性能进行表征。实验结果表明, 水热法120 ℃得到六方相LaF3, 经800 ℃和1 000 ℃退火后分别形成四方相LaOF和六方相LaOF。980 nm激发下, 六方相LaOF∶Er,Yb中Yb3+与Er3+存在能量传递, 通过双光子吸收产生绿光和红光的上转换荧光, 并且Yb3+与Er3+的最佳浓度分别为3%和1%。最后研究了六方相LaOF∶Er,Yb在温度传感方面的应用, 其在150~400 K温度范围的相对灵敏度和绝对灵敏度分别为0.037 K-1和0.004 3 K-1。该材料具有优异的温度传感特性, 对荧光温度传感器件的设计和应用具有指导意义。

全无机钙钛矿CsPbX3纳米晶具有发光波长可调、半高峰窄、器件制备简单、稳定性高等优点, 被广泛应用于太阳能电池、发光二极管、激光器、光电探测器等领域。本文概述了该材料的国内外研究进展, 首先介绍了CsPbX3纳米晶的分子结构、尺寸效应、发光特性和光催化特性, 然后对其合成方法、稳定性及器件应用进行了重点阐述, 最后对其存在的问题及未来的发展进行了总结和展望。

近年来, Cs2SnI6作为一种无毒性、稳定性好的新型钙钛矿材料应用于太阳能电池中, 其电池的光电转换效率由最初不到1%增长到现在的8.5%, 使之成为有可能替代铅基钙钛矿太阳能电池的新型太阳能电池。本文采用基于广义密度泛函和杂化密度泛函的第一性原理方法研究了Cs2SnI6的电子结构、光学特性和钙钛矿太阳能电池的光电性能参数。研究结果表明, 导带底和价带顶位于同一高对称点Γ而属于直接跃迁型半导体, 且电子态主要来自于I-5p轨道和Sn-5s轨道。在近红外和可见光波长范围内有较高的吸收系数, 当Cs2SnI6钙钛矿厚度达到10 μm时, 吸收率在311~989 nm之间接近100%, 不考虑潜在损失的情况下, 理论上太阳能电池可获得短路电流为32.86 mA/cm2、开路电压0.91 V、填充因子87.4%、光电转换效率26.1%。为实验上制备高效Cs2SnI6钙钛矿太阳能电池提供了参考。

金属卤化物钙钛矿CsPbBr3具有优异的光学性能, 是作为波长转化层在液晶显示中实现全彩显示的理想材料。为了实现高效的蓝光到绿光的光转换, 采用脉冲激光沉积技术(PLD)制备CsPbBr3微米级厚膜, 通过设定激光脉冲数实现膜厚的有效调控, 并借助扫描电子显微镜(SEM)、X射线粉末衍射(XRD)、紫外-可见吸收光谱等测试手段对其形貌、晶体结构和光学性质进行分析。然后, 将CsPbBr3微米级厚膜沉积在发射波长为460 nm的蓝光发光二极管上, 并测试光转换性能。实验结果表明, 制备的CsPbBr3厚膜由(100)取向的柱状晶体组成, 且膜厚与激光脉冲数呈线性关系, 在膜厚为2.252 μm时, 在460 nm的蓝光激发下实现了完全、有效绿光的发射。此外, 在空气氛围(温度20 ℃, 湿度25%)下放置18 d, 光致发光强度无明显衰退。

为在新型太阳能电池等光电器件中应用ZnO纳米结构, 需要对ZnO纳米结构阵列的几何形貌及光电物理性质进行裁剪与操控。采用电化学沉积路线制备ZnO纳米柱阵列, In(NO3)3 与NH4NO3两种盐类被溶入在传统Zn(NO3)2主电解液中。对ZnO纳米柱阵列进行扫描电子显微镜、透射反射光谱、光致发光光谱测试, 分析其形貌与光电物理性质。随着引入的In(NO3)3浓度的增加, ZnO纳米柱阵列的平均直径随之由57 nm减小至30 nm。同时ZnO纳米柱的阵列密度也可降低, 进而增大纳米柱间距至41 nm。由于新的盐类的引入, ZnO纳米柱的光学带隙由3.46 eV蓝移至3.55 eV。随着电解液中In(NO3)3的增加, ZnO纳米柱的斯托克斯位移由198 meV减小至154 meV, ZnO纳米柱中的非辐射复合可以得到一定程度的抑制。通过在主电解液中引入In(NO3)3 与NH4NO3两种盐类, 可对ZnO纳米柱的直径、密度、间距、透射反射率、光学带隙、近带边发射与非辐射复合进行操控与裁剪。

比率型荧光传感器由于具有抗干扰能力强和灵敏度高等优点, 在食品安全、金属离子检测、环境污染分析等许多领域显示出巨大的应用潜力。而碳点作为一种新型荧光材料, 不仅具有优良的荧光性能, 而且毒性低、易于表面功能化, 非常适合构建比率型荧光传感器。本文就近年来比率型碳点荧光传感器在检测领域的研究进展进行综述, 重点阐述了碳点的荧光检测机理, 并根据碳点使用情况的不同, 对不同类型的比率型碳点荧光传感器进行了分类总结。最后提出了该领域亟待解决的困难和问题, 并对其在分析物检测方面的发展方向进行了展望。

提出了采用环境友好型InP/ZnS核壳结构量子点材料制备匹配蓝光Micro-LED阵列的量子点色转换层以实现Micro-LED阵列器件全彩化的技术方案。通过采用倒置式量子点色转换层方案, 实现了InP/ZnS量子点材料和Micro-LED阵列的非直接接触, 从而可以缓解LED中热量聚集导致的量子点材料发光主波长偏移、半峰宽展宽以及发光效率衰减等问题。量子点色转换层中内嵌PDMS聚合物柔性膜层, 可以消除咖啡环效应, 同时, 色转换层中内嵌飞秒激光图案化处理的500 nm长波通滤光膜层, 可以抑制蓝光从非蓝色像素单元出射。最后, 实验制备了像素单元中心间距90 μm的16×16 InP/ZnS量子点色转换层。该设计可以实现基于蓝光Micro-LED阵列的全彩色Micro-LED显示器件的制备, 并且该制备方法可以降低全彩色Micro-LED阵列显示器件的制备成本。

为研究GaAsN/GaAs量子阱在电子束辐照下的退化规律与机制, 对GaAsN/GaAs量子阱进行了不同注量(1×1015, 1×1016 e/cm2)1 MeV电子束辐照和辐照后不同温度退火(650, 750, 850 ℃)试验, 并结合Mulassis 仿真和GaAs能带模型图对其分析讨论。结果表明, 随着电子注量的增加, GaAsN/GaAs量子阱光学性能急剧降低, 注量为1×1015 e/cm2和1×1016 e/cm2的电子束辐照后, GaAsN/GaAs量子阱PL强度分别衰减为初始值的85%和29%。GaAsN/GaAs量子阱电子辐照后650 ℃退火5 min, 样品PL强度恢复到初始值, 材料带隙没有发生变化。GaAsN/GaAs量子阱辐照后750 ℃和850 ℃各退火5 min后, 样品PL强度随退火温度的升高不断减小, 同时N原子外扩散使得样品带隙发生约4 nm蓝移。退火温度升高没有造成带隙更大的蓝移, 这是由于进一步的温度升高产生了新的N—As间隙缺陷, 抑制了N原子外扩散, 同时导致GaAsN/GaAs量子阱光学性能退化。

基于弯曲的罗丹明B(rhodamine B)掺杂聚合物微米线, 搭建了Y型分束器、微米线-环形腔耦合结构等典型微米光子回路; 采用锥形光纤耦合的方式, 将光能量导入回路并在微米线中激发荧光; 通过移动锥形光纤增加光的传输距离, 分析能量的输出强度与传输长度之间的关系。研究发现, 通过激发出的荧光光路强度, 可显示回路中的能量沿微米线轴线周期性地衰减振荡, 并在微米线弯折处发生相位跃变; 回路输出端能量随传输距离的增加呈周期性变化, 且在半个周期内, 可将Y型分束器分光比从1.3调节到2.4(＜2 μm), 使耦合结构中单个输出端的强度峰谷比达到2.1(＜6 μm)。利用锥形光纤耦合激发出的荧光, 可在远场直接显示回路的能量传输状态, 并在传输距离改变时对能量的耦合情况进行实时反映, 实现回路输出性能的大范围调节, 为复杂微光子器件的搭建及性能调节提供了一种直观、简便的方法。

为了解决受激布里渊散射快光在高吸收区产生损耗的问题, 通过分析普通单模光纤中双线泵浦产生的双布里渊增益线特性及在增益峰间实现脉冲的超光速传输理论, 利用有限元法数值模拟了双布里渊增益线处受激布里渊散射引起的快光特性。结果表明, 当频率分离因子大于0.596时, 可以观察到双增益峰; 当频率分离因子在1~5.25范围内时, 两个泵浦波产生的双增益峰之间可以明显地产生快光; 当频率分离因子为1.75时, 在双布里渊增益线之间的最大时间提前可达25 ps。当频率分离因子为2.42时, 三阶色散所对应的归一化色散长度为无穷大, 三阶色散可以得到完全补偿; 当频率分离因子大于2.464时, 脉冲展宽因子趋近于1, 可以实现无畸变传输, 但时间提前量小于13.52 ps。本文的研究结论对于在布里渊增益区实现快光具有一定的理论意义, 并对设计基于受激布里渊散射快光器件具有理论指导作用。

石墨烯在光电子学领域具有广泛应用,但石墨烯的吸收率较低限制了其在某些方面的应用。为了改善单层石墨烯的吸收特性, 在前人研究的基础上, 设计了石墨烯和光子晶体异质结构构成的复合结构。利用4×4传输矩阵法研究了外磁场、费米能量和设计波长等参数对石墨烯吸收特性的影响。结果表明, 所设计的光学结构使石墨烯既保持了原有的宽吸收带, 还增加了数目可调的窄吸收带。由于考虑到磁光效应, 石墨烯的吸收特性表现出一定的磁圆二色性。对于各吸收带, 通常情况下左旋圆偏振光的吸收率要大于右旋圆偏振光的吸收率。但调节外磁场和费米能量, 可使各吸收带具有99%以上的吸收, 在一定的条件下, 还可实现近完美的100%吸收。研究结果为光电子学领域中基于石墨烯的相关器件的设计提供了参考。