Влияние термообработки на рост и люминесцентные свойства квантовых точек CsPbI3 во фторофосфатном стекле

Введение. Рассмотрено влияние условий термообработки на размеры квантовых точек перовскитов (CsPbI₃), сформированных во фторофосфатных стеклах, и изучены их спектральнолюминесцентные свойства. Метод. Фторофосфатные стекла с квантовыми точками CsPbI₃ получены методом высокотемпературного синтеза из шихтных реактивов с последующей дополнительной термообработкой выше температуры стеклования T_g. Температура термообработки определялась на основании данных дифференциальной сканирующей калориметрии с применением термоанализатора STA 449F1 Jupiter NIETZSCHE. Исследование спектров поглощения проводилось с помощью двухлучевого спектрофотометра Perkin Elmer Lambda 650. Спектры фотолюминесценции были получены при использовании спектрофлуориметра Perkin Elmer LS50B. Абсолютный квантовый выход измерен с помощью системы измерения абсолютного квантового выхода фотолюминисценции PL (Hamamatsu) с блоком интегрирующей сферы. Основные результаты. Квантовые точки CsPbI₃ были сформированы во фторофосфатном стекле. Рост квантовых точек в стекле контролировался термообработкой при температурах выше T_g путем вариации температуры и длительности. Данные оптических измерений подтвердили образование нанокристаллов CsPbI₃ с размерами 6–15 нм. При этом фотолюминесценция квантовых точек CsPbI₃ изменялась в диапазоне 625–705 нм. Наблюдается немонотонное изменение величины квантового выхода от температуры термообработки. Максимальный квантовый выход фотолюминесценции CsPbI₃ составил 13 %. Показано, что квантовый выход фотолюминесценции CsPbI₃ с размерами 10–15 нм слабо зависит от размера квантовых точек и изменяется в пределах 10–13 %. Обсуждение. Сделан вывод, что фторофосфатные стекла с квантовыми точками CsPbI₃ перспективны в качестве красных люминофоров.

1. Chen Q., Wu J., Ou X.Y. Huang B.L., Almutlaq J., Zhumekenov A.A., et al. All-inorganic perovskite nanocrystal scintillators // Nature. 2018. V. 561. N 7721. P. 88–93. https://doi.org/10.1038/s41586-018-0451-1

2. Kirschner M.S., Diroll B.T., Guo P.J., Haryey S.M., Helweh W., Flanders N.C., et al. Photoinduced, reversible phase transitions in all-inorganic perovskite nanocrystals // Nature Communications. 2019. V. 10. P. 504. https://doi.org/10.1038/s41467-019-08362-3

3. Nedelcu G., Protesescu L., Yakunin S., Bodnarchuk M.I., Grotevent M.J., Kovalenko M.V. Fast anion-exchange in highly luminescent nanocrystals of cesium lead halide perovskites (CsPbX3, X = Cl, Br, I) // Nano Letters. 2015. V. 15. N 8. P. 5635–5640. https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.5b02404

4. Yang M.R., Moroz P., Miller E., Porotnikov D., Cassidy J., Ellison C., et al. Energy transport in CsPbBr3 perovskite nanocrystal solids // ACS Photonics. 2020. V. 7. N 1. P. 154–164. https://doi.org/10.1021/acsphotonics.9b01316

5. Motti S.G., Krieg F., Ramadan A.J., Patel J.B., Snaith H.J., Kovalenko M., et al. CsPbBr3 nanocrystal films: Deviations from bulk vibrational and optoelectronic properties // Advanced Functional Materials. 2020. V. 30. N 19. P. 1909904. https://doi.org/10.1002/adfm.201909904

6. Beimborn J.C., Walther L.R., Wilson K.D., Weber J.M. Sizedependent pressure-response of the photoluminescence of CsPbBr3 nanocrystals // The Journal of Physical Chemistry Letters. 2020. V. 11. N 5. P. 1975–1980. https://doi.org/10.1021/acs.jpclett.0c00174

7. Akkerman Q.A., D’Innocenzo V., Accornero S., Scarpellini A., Petrozza A., Prato M., Manna L. Tuning the optical properties of cesium lead halide perovskite nanocrystals by anion exchange reactions // Journal of the American Chemical Society. 2015. V. 137. N 32. P. 10276–10281. https://doi.org/10.1021/jacs.5b05602

8. Lai H.M., Lu Z., Choi C.K.K., Zhou W., Yau C., Tang B., Ko H. Direct room temperature synthesis of α-CsPbI3 perovskite nanocrystals with high photoluminescence quantum yields: implications for lighting and photovoltaic applications // ACS Applied Nano Materials. 2022. V. 5. N 9. P. 12366−12373. https://doi.org/10.1021/acsanm.2c00732

9. Song J. et al. Quantum dot light-emitting diodes based on inorganic perovskite cesium lead halides (CsPbX3) // Advanced Materials. 2015. V. 27. N 44. P. 7162–7167. https://doi.org/10.1002/adma.201502567

10. Li G., Rivarola F.W.R., Davis N.J.L.K., Bai S., Jellicoe T.C., de la Peña F., et al. Highly efficient perovskite nanocrystal light-emitting diodes enabled by a universal crosslinking method // Advanced Materials. 2016. V. 28. N 18. P. 3528–3534. https://doi.org/10.1002/adma.201600064

11. Kovalenko M.V., Protesescu L., Bodnarchuk M.I. Properties and potential optoelectronic applications of lead halide perovskite nanocrystals // Science. 2017. V. 358. N 6364. P. 745–750. https://doi.org/10.1126/science.aam7093

12. Tan Z.K., Moghaddam R.S., Lai M.L., Docampo P., Higler R., Deschler F., et al. Bright light-emitting diodes based on organometal halide perovskite // Nature Nanotechnology. 2014. V. 9. N 9. P. 687– 692. https://doi.org/10.1038/NNANO.2014.149

13. Liu F., Zhang Y.H., Ding C., Kobayashi S., Izuishi T., Nakazawa N., et al. Highly luminescent phase-stable CsPbI3 perovskite quantum dots achieving near 100% absolute photoluminescence quantum yield // ACS Nano. 2017. V. 11. N 10. P. 10373–10383. https://doi.org/10.1021/acsnano.7b05442

14. Li P., Hu C., Zhou L., Jiang J., Cheng Y., He M., et al. Novel synthesis and optical characterization of CsPb2Br5 quantum dots in borosilicate glasses // Materials Letters. 2017. V. 209. P. 483–485. https://doi.org/10.1016/j.matlet.2017.08.079

15. Liu S., He M., Di X., Li P., Xiang W., Liang X., et al. Precipitation and tunable emission of cesium lead halide perovskites (CsPbX3, X = Br, I) QDs in borosilicate glass // Ceramics International. 2018. V. 4 4. N 4. P. 4 496 –4 49 9. h ttps ://doi.org/10.1016/j.ceramint.2017.12.012

16. Chen D., Liu Y., Yang C., Zhong J., Zhou S., Chen J., et al. Promoting photoluminescence quantum yields of glass-stabilized CsPbX3 (X = Cl, Br, I) perovskite quantum dots through fluorine doping // Nanoscale. 2019. V. 11. N 37. P. 17216–17221. https://doi.org/10.1039/c9nr07307h

17. Yuan S., Chen D., Li X., Zhong J., Xu X. In situ crystallization synthesis of CsPbBr3 perovskite quantum dot-embedded glasses with improved stability for solid-state lighting and random upconverted lasing // ACS Applied Materials and Interfaces. 2018. V. 10. N 22. P. 18918–18926. https://doi.org/10.1021/acsami.8b05155

18. Xiang X., Lin H., Li R., Cheng Y., Huang Q., Xu J., et al. Stressinduced CsPbBr3 nanocrystallization on glass surface: Unexpected mechanoluminescence and applications // Nano Research. 2019. V. 12. N 5. P. 1049–1054. https://doi.org/10.1007/s12274-019-2338-3

19. Chen D., Yuan S., Chen X., Li J., Mao Q., Li X., Zhong J. CsPbX3 (X = Br, I) perovskite quantum dot embedded low-melting phosphosilicate glasses: controllable crystallization, thermal stability and tunable emissions // Journal of Materials Chemistry C. 2018. V. 6. N 25. P. 6832–6839. https://doi.org/10.1039/c8tc02407c

20. Kolobkova E.V., Kuznetsova M.S., Nikonorov N.V. Perovskite CsPbX3 (X = Cl, Br, I) nanocrystals in fluorophosphate glasses // Journal of Non-Crystalline Solids. 2021. V. 563. P. 120811. https://doi.org/10.1016/j.jnoncrysol.2021.120811

21. Pang X., Zhang H., Xie L., Xuan T., Sun Y., Si S., et al. Precipitating CsPbBr3 quantum dots in boro-germanate glass with a dense structure and inert environment toward highly stable and efficient narrow-band green emitters for wide-color-gamut liquid crystal displays // Journal of Materials Chemistry C. 2019. V. 7. N 42. P. 13139–13148. https://doi.org/10.1039/c9tc04732h

22. Ye Y., Zhang W., Zhao Z., Wang J., Liu C., Deng Z., et al. Highly luminescent cesium lead halide perovskite nanocrystals stabilized in glasses for light-emitting applications // Advanced Optical Materials. 2019. V. 7. N 9. P. 1801663. https://doi.org/10.1002/adom.201801663

23. Oreshkina K., Dubrovin V., Sgibnev Y., Nikonorov N., Babkina A., Kulpina E., et al. Spectral properties of CsPbX3 (X = Br, I) perovskite nanocrystals in borogermanate glass-ceramics // Materials Research Bulletin. 2022. V. 149. P. 111720. https://doi.org/10.1016/j.materresbull.2021.111720

24. Wang Q., Tong Y., Yang M., Ye H., Liang X., Wang X., et al. ZnO induced self-crystallization of CsPb(Br/I)3 nanocrystal glasses with improved stability for backlight display application // Journal of Materials Science and Technology. 2022. V. 121. P. 140–147. https://doi.org/10.1016/j.jmst.2021.12.060

25. Zhang X., Guo L., Zhang Y., Cheng C., Cheng Y., Li X., et al. Excellent exciton luminescence of CsPbI3 red quantum dots in borate glass // Journal of Non-Crystalline Solids. 2020. V. 541. P. 120066. https://doi.org/10.1016/j.jnoncrysol.2020.120066

26. Zhang Z., Shen L., Zhao Y., Zhang Y., Yang H., Xiang W., et al. Coexisting CsPbCl3: CsPbI3 perovskite nanocrystal glasses with high luminescence and stability // Chemical Engineering Journal. 2020. V. 385. P. 123415. https://doi.org/10.1016/j.cej.2019.123415

27. Swarnkar A., Marshall A.R., Sanehira E.M., Chernomordik B.D., Moore D.T., Christians J.A., et al. Quantum dot–induced phase stabilization of α-CsPbI3 perovskite for high-efficiency photovoltaics // Science. 2016. V. 354. N 6308. P. 92–95. https://doi.org/10.1126/science.aag2700

28. Li X., Deng X., Hong J., Lin J., Lv J., Yu M., et al. Color adjustable CsPbX3 (X = Cl, Br, I) perovskite quantum dots germanate glass // Journal of Luminescence. 2024. V. 266. P. 120256. https://doi.org/10.1016/j.jlumin.2023.120256

29. Kharisova R., Babkina A., Zyryanova K., Kuzmenko N., Leonidova A., Valiev D., et al. Mixed-halide CsPb(BrxI1–x)3 perovskite nanocrystals in borogermanate glass-ceramics // Ceramics International. 2024. V. 50. N 13. Part B. P. 24618–24625. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2024.04.196

30. Liu S., Luo Y., He M., Liang X., Xiang W. Novel CsPbI3 QDs glass with chemical stability and optical properties // Journal of the European Ceramic Society. 2018. V. 38. N 4. P. 1998−2004. https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2017.10.012

31. He M., Ding L., Liu S., Shao G., Zhang Z., Liang X., et al. Superior fluorescence and high stability of B-Si -Zn glasses based on Mndoped CsPbBrxI3–x nanocrystals // Journal of Alloys and Compounds. 2019. V. 780. P. 318−325. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2018.11.382

32. Kolobkova E.V., Semaan R., Kuznetsova M.S., Nikonorov N.V. Hightemperature photoluminescence of CsPbBr3 perovskite nanocrystals in the fluorophosphate glasses // Journal of Luminescence. 2023. V. 255. P. 119541. https://doi.org/10.1016/j.jlumin.2022.119541

33. Kuznetsova M.S., Kolobkova E.V., Bataev M.N., Berdnikov V.S., Pankin D.V., Smirnov M.B., et al. Synthesis and optical properties of perovskite nanocrystals in glass with cationic substitution // The Journal of Chemical Physics. 2024. V. 161. P. 124501. https://doi.org/10.1063/5.0227459

34. Kulebyakina E.V., Skorikov M.L., Kolobkova E., Kuznetsova M.S., Bataev M.N., Yakovlev D.R., et al. Temperature-dependent photoluminescence dynamics of CsPbBr3 and CsPb(Cl,Br)3 perovskite nanocrystals in a glass matrix // Physical Review B. 2024. V. 109 . N 23 . P. 235301 . https://doi.org/10.1103/PhysRevB.109.235301

35. Vaynberg B., Matusovsky M., Rosenbluh M., Kolobkova E., Lipovskii A. High optical nonlinearity of CdSxSe1–x microcrystals in fluorine-phosphate glass // Optics Communications. 1996. V. 132. N 3-4. P. 307–310. https://doi.org/10.1016/0030-4018(96)00373-2

36. Lipovskii A.A., Yakovlev I.E., Kolobkova E.V., Petrikov V.D. Formation and growth of semiconductor nanocrystals in phosphate glass matrix // Journal of the European Ceramic Society. 1999. V. 19. N 6-7. P. 865–869. https://doi.org/10.1016/s0955-2219(98)00333-1

37. Melekhin V.G., Kolobkova E.V., Lipovskii A.A., Petrikov V.D., Malyarevich A.M., Savitsky V.G. Fluorophosphate glasses doped with PbSe quantum dots and their nonlinear optical characteristics // Glass Physics and Chemistry. 2008. V. 34. N 4. P. 351–355. https://doi.org/10.1134/s1087659608040020

38. Han Y., Liang W., Lin X., Li Y., Sun F., Zhang F., et al. Lattice distortion inducing exciton splitting and coherent quantum beating in CsPbI3 perovskite quantum dots // Nature Materials. 2022. V. 21. N 11. P. 1282–1289. https://doi.org/10.1038/s41563-022-01349-4

39. Hoffman J.B., Schleper A.L., Kamat P.V. Transformation of sintered CsPbBr3 nanocrystals to cubic CsPbI3 and gradient CsPbBrxI3–x through halide exchange // Journal of the American Chemical Society. 2016. V. 138. N 27. P. 8603−8612. https://doi.org/10.1021/jacs.6b04661