Controlling the optical properties of colloidal lead halide perovskite nanocrystals by shape, size and dimensionality

Tong, Yu (2018): Controlling the optical properties of colloidal lead halide perovskite nanocrystals by shape, size and dimensionality. Dissertation, LMU München: Fakultät für Physik

Abstract

In letzter Zeit gewinnen Metallhalogenid-Perowskit-Halbleitermaterialien zunehmend an Aufmerksamkeit, was auf ihre faszinierenden Eigenschaften und vielversprechenden optoelektronischen Anwendungen zurückzuführen ist. Die meisten der ersten Studien konzentrierten sich auf Volumenmaterial dieser Perowskite, während die aufkommenden kolloidalen Perowskit-Nanokristalle aufgrund ihrer einzigartigen Eigenschaften weiteres Interesse auf sich zogen. In dieser Arbeit werden die optischen Eigenschaften von verschiedenen kolloidalen Metallhalogenid-Perowskit-Nanokristallen untersucht und mit ihrer Form, Größe und Dimensionalität korreliert. Zum einen kann die Photolumineszenz von kolloidalen Metallhalogenid-Perowskit-Nanokristallen durch eine Verringerung ihrer Dimensionalität abgestimmt werden. Zweidimensionale Methylammonium-Bleihalogenid-Perowskit-Nanoplättchen wurden mit unterschiedlichen Dicken synthetisiert und deren Quanten-Größeneffekte werden hier quantitativ untersucht. Durch das Ersetzen des Methylammonium-Ions mit einem Cäsium-Ion, können komplett anorganische kolloidale Cäsium-Bleihalogenid-Perowskit-Nanokristalle erhalten werden und ihre optischen Eigenschaften werden durch die Änderung der chemischen Zusammensetzung sowie der Dimensionalität effektiv abgestimmt. Die Exzitonenbindungsenergie nimmt mit abnehmender Dicke von Nanokristallen zu. Darüber hinaus können die Photolumineszenz-Quantenausbeuten von kolloidalem Cäsium-Bleibromid-Perowskit-Nanoplättchen signifikant durch Zugabe einer PbBr2-Liganden-Lösung erhöht werden, welche die Oberflächendefekte repariert. Außerdem wurden andere Perowskit-Nanokristalle mit verschiedenen Formen, einschließlich von Cäsium-Bleibromid-Nanodrähten und Superkristallen, hergestellt und ihre optischen Eigenschaften untersucht. Es wurde festgestellt, dass Cäsium-Bleibromid-Nanodrähte durch eine orientierte Anlagerung von Nanowürfeln in kolloidalen Lösungen gebildet werden. Die Nanodrähte zeigen eine rotverschobene Photolumineszenz mit einer Polarisations-Anisotropie aufgrund ihrer länglichen Geometrie. Im Vergleich zu Nanowürfeln weisen die Nanodrähte auch eine viel geringere Photolumineszenz-Quantenausbeute auf, da der strahlungslose Zerfall durch die Ladungsträgermobilität entlang des Drahtes an Bedeutung gewinnt. Des Weiteren können sich Cäsium-Bleibromid-Nanowürfel in kolloidaler Lösung selbst anordnen und sogenannte Superkristalle bilden. Diese Superkristalle zeigen eine offensichtliche Rotverschiebung in der Photolumineszenz infolge einer interpartikulären elektronischen Kopplung durch den hinreichend kleinen Abstand zwischen den benachbarten Nanowürfeln. Inzwischen bleibt die hohe Photolumineszenz-Quantenausbeute der Nanowürfel-Untereinheiten in den Superkristallen erhalten. Zusammenfassend stellt diese Arbeit einen Einblick in die Dimensionalität abhängigen optische Eigenschaften von kolloidalem Bleihalogenid-Perowskit-Nanokristallen.

Abstract

Recently, metal halide perovskite semiconductor materials are gaining increasing attention owing to their fascinating properties and promising optoelectronic applications. Most of the initial studies focued on the bulk-like perovskite materials, while the emerging colloidal perovskite nanocrystals attract further interest due to their unique properties. In this thesis, the optical properties of various colloidal metal halide perovskite nanocrystals are explored and correlated with their shape, size and dimensionality. Firstly, the photoluminescence of colloidal metal halide perovskite nanocrystals can be tuned by decreasing their dimensionality. Two-dimensional methylammonium lead halide perovskite nanoplatelets with different thicknesses are synthesized and their quantum size effects are quantitatively investigated. By replacing the methylammonium ion with a cesium ion, all-inorganic colloidal cesium lead halide perovskite nanocrystals are obtained and their optical properties are effectively tuned by changing chemical composition as well as dimensionality. The exciton binding energy is found to increase with decreasing thickness of nanocrystals. In addition, the photoluminescence quantum yields of colloidal cesium lead bromide perovskite nanoplatelets can be significantly increased by adding PbBr2-ligand solution to repair the surface defects. Furthermore, other perovskite nanocrystals with different shapes including cesium lead bromide nanowires and supercrystals are prepared and their optical properties are investigated. Cesium lead bromide nanowires are found to be formed through an oriented attachment of nanocubes in colloidal solution. The nanowires show a redshifted photoluminescence with a polarization anisotropy due to their elongated anisotropic geometry. The nanowires also exhibit a much lower photoluminescence quantum yield compared to nanocubes due to nonradiative decay causued by charge carrier mobility along the wire. In addition, cesium lead bromide nanocubes can self-assembly into supercrystals in colloidal solution. The supercrystals show an obvious redshift in photoluminescence due to an interparticle electronic coupling enabled by the sufficiently small spacing between neighboring nanocubes. Meanwhile, high photoluminescence quantum yield of the nanocube subunits is retained in the supercrystals. In summary, this thesis provides an insight into dimensionality-dependent optical properties of colloidal lead halide perovskite nanocrystals.

• Dokumententyp: Dissertationen (Dissertation, LMU München)
• Themengebiete: 500 Naturwissenschaften und Mathematik ; 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
• Fakultäten: Fakultät für Physik
• Sprache der Hochschulschrift: Englisch
• Datum der mündlichen Prüfung: 14. September 2018
• 1. Bericht­erstatter:in: Feldmann, Jochen