北理工課題組在二維鈣鈦礦晶體發(fā)光和機(jī)理方面取得最新研究進(jìn)展
發(fā)布日期：2021-12-29 供稿：前沿交叉科學(xué)研究院
編輯：石殊倫 審核：唐水源 閱讀次數(shù)：有機(jī)-無機(jī)雜化金屬鹵素鈣鈦礦材料因其獨(dú)特的半導(dǎo)體特性被廣泛應(yīng)用于太陽能電池、發(fā)光二極管、熒光粉、光電探測和激光器等光電功能器件。它們的晶體維度、空間結(jié)構(gòu)、光電性能和光物理過程等，可以通過晶體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、組分調(diào)控、溫度和壓力等因素進(jìn)行調(diào)控。
近日，在國家自然科學(xué)基金（(22075022和21703008) 資助下，北京理工大學(xué)前沿交叉科學(xué)研究院崔彬彬副研究員聯(lián)合材料學(xué)院陳棋教授、沙特阿拉伯王國阿卜杜拉國王科技大學(xué)（KAUST）Omar F. Mohammed教授和中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所金盛燁研究員以“Exciton Self-trapping for White Emission in 100-oriented Two-dimensional Perovskites via Halogen Substitution”為題在國際材料與化學(xué)領(lǐng)域頂級(jí)期刊《ACS Energy Letters》（影響因子23.101）發(fā)表了該團(tuán)隊(duì)在二維鈣鈦礦（2D Perovskite）晶體發(fā)光和機(jī)理方面的最新研究進(jìn)展。北京理工大學(xué)前沿交叉科學(xué)研究院博士研究生韓穎和阿卜杜拉國王科技大學(xué)博士后殷俊博士為該工作共同第一作者，Omar F. Mohammed教授、陳棋教授和崔彬彬副研究員為該工作共同通訊作者。
圖1 基于100取向的二維鈣鈦礦自由激發(fā)態(tài)發(fā)光（左）和自陷態(tài)寬帶發(fā)光（右）
近年來，低維有機(jī)-無機(jī)雜化金屬鹵素鈣鈦礦開辟了單一組分白光熒光粉的新領(lǐng)域，研究表明其寬帶白光發(fā)射是由自陷激子(self-trapped excitons, STEs)回到基態(tài)產(chǎn)生的，并依賴于影響材料電子-聲子耦合強(qiáng)度的晶格扭曲程度和無機(jī)骨架與有機(jī)陽離子之間的相互作用。以往報(bào)道發(fā)現(xiàn)鹵素取代可調(diào)控出低維鈣鈦礦晶體的STE寬峰白光發(fā)射，但其內(nèi)在機(jī)制尚未清楚。該團(tuán)隊(duì)為了探究不同鹵素對2D鈣鈦礦STE自陷態(tài)發(fā)光機(jī)制的影響，將質(zhì)子化的苯并咪唑作為有機(jī)陽離子，分別以Br-和Cl-為鹵素陰離子合成了兩個(gè)100取向的二維鈣鈦礦單晶BM-Cl和 BM-Br。值得注意的是，雖然二者具有相似的晶體結(jié)構(gòu)，并且晶體在無機(jī)八面體框架中幾乎無扭曲，但是卻展示出完全不同的發(fā)光特征和機(jī)制（圖 1）。
BM-Br晶體具有弱的電子-聲子耦合效應(yīng)，其體現(xiàn)電子-聲子耦合強(qiáng)度的“黃-里斯（Huang?Rhys）”因子S="13，在室溫下產(chǎn)生深藍(lán)色的窄帶光致發(fā)光；而BM-Cl晶體在室溫下處呈現(xiàn)由于強(qiáng)電子-聲子耦合導(dǎo)致的STE寬帶白光發(fā)射，其S="181，這是目前所有塊體半導(dǎo)體材料中的最高值（圖 2）。因此，本工作揭示了鹵素對二維鈣鈦礦STE發(fā)射的內(nèi)在的調(diào)控機(jī)制：除了改變晶格形變勢能和自俘獲STE的勢能外，鹵素取代使BM-Cl晶體中電子-聲子耦合增強(qiáng)高達(dá)十倍，從而影響了STE的動(dòng)力學(xué)。這為調(diào)控低維鈣鈦礦中的電子-聲子耦合強(qiáng)度提供了一個(gè)通用可行的新思路。
圖2 BM-Cl和BM-Br的晶體結(jié)構(gòu)以及光學(xué)特性譜圖（光致熒光PL、色域值、Huang?Rhys因子計(jì)算和瞬態(tài)熱激子弛豫）
最后，該團(tuán)隊(duì)將兩種二維鈣鈦礦單晶材料分別應(yīng)用于電致發(fā)光二極管（LED）和光致發(fā)光器件。基于BM-Br發(fā)光層的LED器件發(fā)出明亮的深藍(lán)光，其CIE顏色坐標(biāo)為(0.159, 0.097)，很好的對應(yīng)了顯示器深藍(lán)指數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)；將BM-Cl熒光粉應(yīng)用于光致發(fā)光器件，可發(fā)出明亮的寬帶白光。此外，BM-Cl熒光粉還表現(xiàn)出一個(gè)負(fù)熱猝滅(NTQ)范圍，并且在室溫300 K左右達(dá)到最大強(qiáng)度，在450 K之前熱猝滅較弱。基于BM-Br發(fā)光層的深藍(lán)光LED和基于BM-Cl的白光熒光粉都表現(xiàn)出優(yōu)異的穩(wěn)定性（圖3），在顯示照明領(lǐng)域有較大的應(yīng)用潛力。
圖3 基于BM-Br和 BM-Cl的發(fā)光器件發(fā)光性能及其穩(wěn)定性
論文信息：
Exciton Self-trapping for White Emission in 100-oriented Two-dimensional Perovskites via Halogen Substitution, ACS Energy Letters , 2021, DOI: 10.1021/acsenergylett.1c02572.
原文鏈接：https://doi.org/10.1021/acsenergylett.1c02572
附作者簡介：
崔彬彬，九三學(xué)社社員，2016年于中科院化學(xué)研究所獲得博士學(xué)位，2015年9月至2016年4月在新加坡南洋理工大學(xué)進(jìn)行訪問學(xué)習(xí)。現(xiàn)任北京理工大學(xué)前沿交叉科學(xué)研究院預(yù)聘助理教授（特別副研究員），博士生導(dǎo)師。主要研究方向?yàn)橛袡C(jī)-無機(jī)雜化的光電功能材料，在“高效且穩(wěn)定的有機(jī)-無機(jī)雜化金屬鹵素鈣鈦礦光伏器件”和“低維有機(jī)-無機(jī)雜化鈣鈦礦晶體材料的結(jié)構(gòu)和光電功能調(diào)控”等方面已經(jīng)取得了一系列的重要研究進(jìn)展，如 Energy & Environ. Sci. , 2020, 13, 4344-4352； Adv. Sci. , 2021, 8, 2004805; Nat. Commun. , 2019, 10, 5190-5198等。近年來以一作或通訊作者在 Energy & Environ. Sci. , Nat. Commun. , J. Am. Chem. Soc ., Angew. Chem. Int. Ed. , Adv. Sci. 等期刊共發(fā)表研究工作30余篇。主持國家自然科學(xué)基金面上和青年基金等項(xiàng)目。
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