一种用于水环境的钙钛矿薄膜封装方法及其应用

1.本发明涉及一种水域适用的钙钛矿薄膜封装方案及其应用，属于纳米材料学和激光光学领域。


背景技术：

2.卤化物钙钛矿材料由于其优异的光电特性被广泛应用于光伏、发光二极管及激光器等领域。其中apbx3(a为阳离子，x为卤化物阴离子)作为激光器的发光介质被广泛应用于光泵浦激光器中，如微腔激光器、分布式反馈激光器及随机激光器等。
3.然而，稳定性问题限制了钙钛矿材料的进一步应用，空气中的水分会使apbx3钙钛矿材料的晶体结构发生分解，从而导致器件失效。当前主要依靠封装来实现对钙钛矿薄膜的保护。目前主要的封装方法是沉积氧化铝等材料来做保护层。这些方案都需要昂贵的设备和复杂的工艺，所以急需一种简单且经济的封装方案，能够有效抑制钙钛矿的分解，拓展其应用范围。


技术实现要素：

4.本发明提供了一种通过光致聚合的方法实现对钙钛矿薄膜的封装，避免水分及氧气对薄膜产生影响，扩展了钙钛矿薄膜的使用范围。经过封装的钙钛矿薄膜可以直接在水域中使用，并取得了更低的激光阈值及发射强度。
5.一种用于水环境的钙钛矿薄膜封装方法，包括如下步骤：
6.(1)充分搅拌容器内的三环癸二甲醇二丙烯酸单体。
7.(2)将丙烯酸单体滴在载玻片上，使用紫外led灯照射，单体发生光致聚合反应，生成固态聚合物层1，厚度在百微米量级；
8.(3)在氮气保护条件下，在固态聚合物层1旋涂钙钛矿前驱体溶液，并准备成钙钛矿薄膜，薄膜的厚度在百纳米量级；
9.(4)擦拭清除钙钛矿薄膜的边缘部分，暴露基底固态聚合物层1，确保钙钛矿薄膜四周封装层固态聚合物层2与基底固态聚合物层2的上下直接接触，提供充分的保护；
10.(5)在钙钛矿薄膜上填充滴涂丙烯酸单体，使用紫外led灯照射，再次发生聚合反应，生成的固态聚合物层2将钙钛矿薄膜完整的包裹在中间，基底固态聚合物层2的厚度在百微米量级。
11.本发明还提供了一种利用水域环境实现降低钙钛矿薄膜激光阈值的方法。
12.进一步的，检测水域中钙钛矿薄膜激光阈值的方法：
13.(1)将封装好的钙钛矿薄膜置于盛放了去离子水的比色皿中；
14.(2)利用激光对钙钛矿薄膜进行光泵浦，封装后的薄膜会形成波导模式；
15.(3)改变泵浦光强度，利用光谱仪测量pl光谱对泵浦功率的依赖关系；
16.(4)通过线性拟合，找到钙钛矿薄膜出现ase的激光阈值。
17.进一步的，使用的激光为飞秒脉冲激光，脉冲宽度为150fs，重复频率为1khz。
18.本发明的有益效果：
19.1.本发明提供的光致聚合封装钙钛矿薄膜，方法简单，易于操作与规模化生产。
20.2.本发明封装后的钙钛矿薄膜可以应用于各种实际环境中。
21.3.本发明封装后的钙钛矿薄膜在水域中表现出比空气中更低的激光阈值和更强的发射强度，体现出了在激光领域的巨大应用潜力。
附图说明
22.图1实施例中利用光致聚合对钙钛矿薄膜进行封装的方法。
23.图2实施例中封装的钙钛矿薄膜在水域中工作的样品实物图。
24.图3实施例中在丙烯酸基底上制备的mapbbr3薄膜扫描电子显微镜图片。
25.图4实施例中封装mapbbr3薄膜在不同环境下的pl光谱及半高全宽与功率依赖关系。
具体实施方式
26.下面结合附图和实例对本发明加以详细说明，但本发明并不限于以下实施例。
27.实施例1
28.图1为本发明实施例1的一种利用光致聚合对钙钛矿薄膜进行封装的方法示意图。如图1所示，该方法的步骤包括：
29.(1)在暗室环境下，使用移液器将100μl的三环癸二甲醇二丙烯酸单体滴在1.5cm
×
1.5cm的石英片上，在其上覆盖一个同样的石英片并保持间距为500μm。
30.(2)在暗室环境下使用紫外led灯照射，灯功率设置为50μw/cm
2，
丙烯酸发生光致聚合，照射10分钟成膜后，剥离上层载玻片得到的丙烯酸基底薄膜，生成固态聚合物层1，厚度为400μm；
31.(3)将得到的丙烯酸基底用氧等离子体清洗机处理表面。
32.(4)在氮气手套箱中，将30μl的以dfm为溶剂的mabr和pbbr2前驱体溶液旋涂在处理过的丙烯酸基底上，制备mapbbr3的多晶薄膜，厚度为100nm，然后在90℃下热退火10分钟。
33.(5)用棉签将制备的钙钛矿薄膜边缘擦拭，确保封装时能将钙钛矿薄膜完整覆盖。
34.(6)在处理好后的薄膜上添加丙烯酸单体，确保对钙钛矿薄膜的完整覆盖，然后再次用紫外led灯照射，生成固态聚合物层2，厚度为400μm，完成丙烯酸对mapbbr3薄膜的封装。
35.实施例2
36.图2为使用丙烯酸封装的钙钛矿薄膜在水域中工作的样品实物图。
37.比色皿中盛放的液体为去离子水，中间为光泵浦下的丙烯酸封装的mapbbr3薄膜。
38.实施例3
39.图3为在丙烯酸基底上制备的mapbbr3薄膜扫描电子显微镜图片。在显微镜下能观察到成功形成了晶体团簇，封装的mapbbr3薄膜晶体质量良好。图3中数据为钙钛矿薄膜的吸收光谱及pl光谱，表面其光学性质良好。
40.吸收光谱通过氙灯及usb4000光纤光谱仪测量，pl光谱通过400nm的飞秒脉冲激光
激发，由usb4000光纤光谱仪测量。
41.实施例4
42.图4为不同功率飞秒激光泵浦下的封装mapbbr3薄膜在空气和水域环境下的发射光谱及半高全宽随功率的变化。其测试步骤为：
43.(1)激光器为相干公司的蓝宝石飞秒激光器。利用bbo晶体倍频激发光为中心波长800nm，脉冲宽度150fs，重复频率1khz的飞秒激光至400nm。
44.(2)用400nm的飞秒激光泵浦封装后的mapbbr3薄膜。
45.(3)使用海洋光学公司的usb4000光谱仪测量封装的mapbbr3薄膜的光致发光光谱。
46.(4)调节泵浦光的功率，测量pl光谱及pl光谱的半高全宽随功率的依赖关系，根据分段线性拟合确定mapbbr3薄膜产生ase的阈值功率。
47.(5)由拟合结果可知，封装后的钙钛矿薄膜在空气中的阈值功率约为12μj/cm2，在水域中下降到约9μj/cm2。
48.由图4可知，丙烯酸封装的钙钛矿薄膜在水域中能得到有效的保护，且钙钛矿薄膜在水域中的性能表现出了比空气中更强的发射强度及更低的阈值功率。
49.由上述实施例可知，本发明提供利用丙烯醇光致聚合的钙钛矿封装方案，可以有效的避免钙钛矿薄膜遭受水分的影响，大大的拓展了钙钛矿材料的研究和应用范围，且在水域中的钙钛矿材料表现出了比空气中更出色的激光性能，具有极高的应用价值和灵活性。
50.上述实施例只为说明本发明的技术构思和特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能依此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。