I-掺杂Cs3Bi2Br9晶体的生长及其光学性能调控

doi:10.16553/j.cnki.issn1000-985x.2025.0080

摘要/Abstract

摘要： 本文采用溶液降温法成功制备了I^-掺杂的Cs₃Bi₂Br₉晶体（Cs₃Bi₂I _x Br_9-_x ），系统研究了I^-掺杂对Cs₃Bi₂Br₉晶体结构、热稳定性与光学性能的影响。生长得到的Cs₃Bi₂I _x Br_9-_x 晶体尺寸达5 mm，晶体呈现出橙红色，与未掺杂的黄色有明显区别。XRD结果表明，I^-部分取代Br^-后，晶体仍维持六方结构，属于P3m1空间群，衍射峰位向小角度偏移表明，掺杂晶体晶格因阴离子半径差异而发生膨胀。热重分析表明晶体在475.2 ℃下保持稳定，较未掺杂Cs₃Bi₂Br₉晶体略有提升。光学测试发现，掺杂后晶体吸收截止边由486 nm红移至590 nm，带隙从2.61 eV降至2.18 eV，显著拓宽了光响应范围；光致发光（PL）峰蓝移至447 nm（半峰全宽97.7 nm，CIE坐标（0.27， 0.24）），荧光寿命呈现双指数衰减（τ₁=2.18 ns，38%；τ₂=32.32 ns，62%）。本研究证实，I^-掺杂可实现Cs₃Bi₂Br₉晶体热稳定性与光电性能的优化，为无铅钙钛矿在光电器件领域的应用提供新选择。

关键词: 钙钛矿材料; I^-掺杂; Cs₃Bi₂Br₉晶体; 溶液降温法; 光学性能

Abstract: In this study， I^- doped Cs₃Bi₂Br₉ crystals （Cs₃Bi₂I _x Br_9-_x ） were successfully grown using the solution cooling method. The influence of I^- doping on the crystal structure， thermal stability， and optical properties of Cs₃Bi₂Br₉was systematically investigated. The Cs₃Bi₂I _x Br_9-_x crystals obtained through growth have a size of 5 mm.The doped crystal exhibits an orange-red color， which is distinctly different from the yellow color of the undoped crystal. The XRD results show that the doped crystal still maintains a hexagonal structure with the P3m1 space group， while displaying a shift of diffraction peaks towards smaller angles， indicating lattice expansion due to the difference in radius between the I^- and Br^-. Thermal analysis shows that the crystal remains stable up to 475.2 ℃， slightly higher than that of Cs₃Bi₂Br₉. Optical tests reveal that after doping， the crystal absorption cut-off edge redshift from 486 nm to 590 nm， resulting in a decrease in the bandgap from 2.61 eV to 2.18 eV， thus significantly broadening the photoresponse range. The main photoluminescence （PL） peak blue shifts to 447 nm （with a full width at half maximum of 97.7 nm， CIE coordinates （0.27， 0.24））， and the fluorescence lifetime exhibits a double exponential decay （τ₁=2.18 ns， 38%； τ₂=32.32 ns， 62%）. This study confirms that I^- doping can achieve an optimization of the thermal stability and optoelectronic properties of Cs₃Bi₂Br₉ crystals， providing a new pathway for the application of lead-free perovskites in the field of optoelectronic devices.

Key words: perovskite material; I^- doping; Cs₃Bi₂Br₉ crystal; solution cooling method; optical property

中图分类号:

O782⁺.1

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图/表 8

图1 Cs3Bi2Br9与Cs3Bi2I x Br9-x 晶体照片

Fig.1 Photograph of as grown Cs3Bi2Br9 crystals and Cs3Bi2I x Br9-x crystals

图2 Cs3Bi2I x Br9-x 晶体、纯相Cs3Bi2Br9晶体XRD图谱与标准PDF卡片

Fig.2 XRD patterns of Cs3Bi2I x Br9-x crystals， pure-phase Cs3Bi2Br9 crystals and standard PDF cards

图3 Cs3Bi2I x Br9-x 晶体的SEM照片与EDS图。（a）Cs3Bi2I x Br9-x 的SEM照片；（b）Cs元素的EDS映射图；（c）I元素的EDS映射图；（d）Bi元素的EDS映射图；（e）Br元素的EDS映射图；（f）Cs3Bi2I x Br9-x 的表面元素分布

Fig.3 SEM and EDS images of Cs3Bi2I x Br9-x crystals. （a） SEM image of Cs3Bi2I x Br9-x；（b） EDS map of Cs elements；（c） EDS map of I element；（d） EDS map of Bi elements；（e） EDS map of Br elements；（f） surface element distribution of Cs3Bi2I x Br9-x crystal

图4 Cs3Bi2I x Br9-x 晶体的TG-DSC曲线

Fig.4 TG-DSC curves of Cs3Bi2I x Br9-x crystal

图5 Cs3Bi2Br9与Cs3Bi2I x Br9-x 晶体的紫外-可见吸收光谱与带隙图。（a）Cs3Bi2Br9晶体的紫外-可见吸收光谱；（b）Cs3Bi2Br9晶体带隙；（c）Cs3Bi2I x Br9-x 晶体的紫外-可见吸收光谱；（d）Cs3Bi2I x Br9-x 晶体带隙

Fig.5 UV absorption spectra and band gaps patterns of Cs3Bi2Br9 and Cs3Bi2I x Br9-x crystals. （a） UV absorption spectra of Cs3Bi2Br9 crystals；（b） band gaps of Cs3Bi2Br9 crystals；（c） UV absorption spectra of Cs3Bi2I x Br9-x crystals；（d） band gaps of Cs3Bi2I x Br9-x crystals

图6 Cs3Bi2Br9晶体与Cs3Bi2I x Br9-x 晶体的光致发光光谱

Fig.6 Photoluminescence spectra of Cs3Bi2Br9 crystal and Cs3Bi2I x Br9-x crystal

图7 Cs3Bi2Br9晶体与Cs3Bi2I x Br9-x 晶体的CIE图

Fig.7 CIE diagram of Cs3Bi2Br9 crystal and Cs3Bi2I x Br9-x crystal

图8 Cs3Bi2I x Br9-x 晶体的时间分辨光致发光衰减曲线

Fig.8 Time-resolved PL decay of Cs3Bi2I x Br9-x crystal

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I^-掺杂Cs₃Bi₂Br₉晶体的生长及其光学性能调控

Growth and Optical Properties Modulation of I^- Doped Cs₃Bi₂Br₉ Crystals

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