论文总字数：22561字

摘 要

本论文开发了一种基于纺丝化学原位制备高性能钙钛矿纳米晶荧光纤维膜的合成方法。以聚丙烯腈(PAN)为聚合物基质，利用气喷纺丝技术，在气喷成丝过程中完成有机-无机杂化甲脒钙钛矿纳米晶(FAPbBr₃)的原位合成与聚合物包覆，一步制备具有明亮荧光以及优异稳定性的FAPbBr₃/PAN复合纤维膜。经过表征，发现制备的FAPbBr₃/PAN纤维膜的发射波长为530 nm，半峰宽为23 nm，并且在空气中保存20天后荧光强度基本不变。随后成功地将本法推广到绿光甲胺钙钛矿(MAPbBr₃)纳米晶以及全无机钙钛矿(CsPbBr₃)纳米晶荧光纤维膜的原位制备。最后，分别以三种制备的荧光纤维膜和KSF荧光粉为绿光和红光颜色转换材料制备广色域背光源显示器，最高色域可达125.7 %。本论文提供了一种简单、快速以及规模化制备高性能荧光纤维膜的方法，在广色域显示器领域具有潜在价值。

关键词：纺丝化学 钙钛矿纳米晶 原位合成 广色域显示

Preparation and Properties of Nanocrystals/Polymer Composite Nanofibers Based on Fiber-Spinning Chemistry

Abstract

In this thesis, a method based on fiber-spinning chemistry (FSC) was demonstrated for in-situ synthesis of high-performance nanofiber films of perovskite nanocrystals. Based on an air-jet spinning technique, the formamidinium lead halide perovskite nanocrystals (FAPbBr₃) were synthesized in the process of fiber-forming by using polyacrylonitrile (PAN) as the polymer matrix. The as-prepared FAPbBr₃/PAN nanofiber film has bright photoluminescence and excellent stability. After characterization, it was found that FAPbBr₃/FAN nanofiber film possesses a green photoluminescence of 530nm and a full width at half maximum (FWHW) of 23 nm. The brightness of photoluminescence was basically unchanged after storing in air for 20 days. Subsequently, this method was successfully extended to the in-situ preparation of green methylamine lead halide perovskite nanocrystals (MAPbBr₃) and all-inorganic perovskite nanocrystals (CsPbBr₃). Finally, three kinds of prepared fluorescent nanofiber films and KSF phosphors were used as green and red color conversion materials to construct backlight displays showing the highest color gamut up to 125.7 %. This work provides a simple, rapid and large-scale method for preparing high-performance fluorescent nanofiber films potentially useful for wide color gamut display.

Key Words: Fiber-spinning chemistry; Perovskite nanocrystals; In-situ synthesis; Wide color gamut display

目录

摘 要 I

Abstract II

第一章 文献综述 1

1.1引言 1

1.2钙钛矿纳米晶 1

1.3钙钛矿纳米晶的研究进展 2

1.3.1钙钛矿纳米晶的溶液制备法 2

1.3.2钙钛矿纳米晶的原位制备法 5

1.3.3纳米晶淬灭机理 8

1.4本学位论文的研究目的和内容 8

1.4.1研究目的 8

1.4.2研究内容 9

第二章 实验部分 10

2.1实验材料 10

2.2实验过程 10

2.2.1纺丝液的制备 10

2.2.2纳米晶/聚合物荧光纤维膜的制备 11

2.2.3室温下合成纯液相FAPbBr₃钙钛矿纳米晶 11

2.2.4 PNCs显示背光膜的制备 12

2.3表征仪器 12

第三章 结果与讨论 13

3.1纳米晶/聚合物纤维膜的结构特征 13

3.2纳米晶/聚合物纤维膜的荧光性能 16

3.3纳米晶/聚合物纤维膜的稳定性 18

3.4 FSC法制备多种钙钛矿纳米晶/聚合物纤维膜 18

3.5纳米晶/聚合物纤维膜的应用 19

第四章 结论 21

参考文献 22

致谢 27

第一章 文献综述

1.1引言

半导体纳米晶（Nanocrystal）是一类三维尺寸都限制在纳米量级的微型团簇，也叫量子点(QDs)，其晶粒的直径一般在100 nm以内。由于纳米晶的晶粒半径小于或者接近于玻尔半径，所以其具有明显的表面效应、量子尺寸效应、介电限域效应和宏观量子隧穿效应，使得连续的能带结构变成具有分子特性的分立能级结构，从而导致其独特的物理化学性质和发光特性^[1]。

作为光子和光电子应用的潜在功能元件，纳米晶材料正在走向工业化^[2]。相比传统量子点，钙钛矿纳米晶(PNCs)具有更窄的半峰宽和更低的制造成本，但更重要的是PNCs易于原位制备^[3]，这为PNCs的工业化制备提供了可行的途径。

1.2钙钛矿纳米晶

钙钛矿（perovskite）晶体是指一种晶格形如矿物钙钛矿CaTiO₃的晶体物质（如图 1-1），其组成通常可以用ABX₃来表示。其中A表示非配体阳离子，占据八个顶角，通常为铯（Cs）、甲胺（MA）或者甲脒（FA）；B是二价p型阳离子，如Pb、Sn和Ge，占据晶格的体心；X是卤素阴离子，占据六个面心^[4]。相对于传统的镉基量子点，钙钛矿晶型的纳米晶的电子和激子的激发和复合过程被限制在八面体内，所以其晶体缺陷对晶格的形成影响不大，即不需要制成核-壳结构就可以有很高的量子效率^[4]。

近年来，人们发现钙钛矿纳米晶在太阳能电池与发光器件方面有极大的应用价值。2009年，Miyaska课题组使用有机-无机杂化钙钛矿纳米晶（MAPbX₃）制备了液态燃料敏化电池，其光电转化效率可达3.81 %^[5]。2017年美国国家可再生能源实验室成果制备出光电转化效率达到13.4 %的钙钛矿量子点太阳能电池^[6]。除了可以在光伏原件中将电荷分离外，钙钛矿纳米晶还可以通过将电荷复合从而发光^[7]，其作为一种低成本的新型发光材料^[8]，在一些高性能光伏器件诸如发光二极管(LED) ^[9]、激光^[10]、光电探测器^[11]中有着巨大的应用前景。由于其具有发光波长可调、半峰宽窄、荧光量子产率高^[12]等优点，这种新型材料吸引了大量物理、电子工程和化学领域研究者们的关注。

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