北理工課題組在二維鈣鈦礦晶體發(fā)光和機理方面取得最新研究進展
發(fā)布日期：2021-12-29 供稿：前沿交叉科學研究院
編輯：石殊倫 審核：唐水源 閱讀次數(shù)：有機-無機雜化金屬鹵素鈣鈦礦材料因其獨特的半導體特性被廣泛應(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,、組分調(diào)控、溫度和壓力等因素進行調(diào)控,。
近日,，在國家自然科學基金（(22075022和21703008) 資助下，北京理工大學前沿交叉科學研究院崔彬彬副研究員聯(lián)合材料學院陳棋教授,、沙特阿拉伯王國阿卜杜拉國王科技大學（KAUST）Omar F. Mohammed教授和中國科學院大連化學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領(lǐng)域頂級期刊《ACS Energy Letters》（影響因子23.101）發(fā)表了該團隊在二維鈣鈦礦（2D Perovskite）晶體發(fā)光和機理方面的最新研究進展,。北京理工大學前沿交叉科學研究院博士研究生韓穎和阿卜杜拉國王科技大學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-無機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-聲子耦合強度的晶格扭曲程度和無機骨架與有機陽離子之間的相互作用,。以往報道發(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)在機制尚未清楚。該團隊為了探究不同鹵素對2D鈣鈦礦STE自陷態(tài)發(fā)光機制的影響,，將質(zhì)子化的苯并咪唑作為有機陽離子,，分別以Br-和Cl-為鹵素陰離子合成了兩個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-聲子耦合強度的“黃-里斯（Huang?Rhys）”因子S="13,，在室溫下產(chǎn)生深藍色的窄帶光致發(fā)光；而BM-Cl晶體在室溫下處呈現(xiàn)由于強電子-聲子耦合導致的STE寬帶白光發(fā)射,，其S="181,，這是目前所有塊體半導體材料中的最高值（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-聲子耦合增強高達十倍，從而影響了STE的動力學,。這為調(diào)控低維鈣鈦礦中的電子-聲子耦合強度提供了一個通用可行的新思路,。
圖2 BM-Cl和BM-Br的晶體結(jié)構(gòu)以及光學特性譜圖（光致熒光PL、色域值,、Huang?Rhys因子計算和瞬態(tài)熱激子弛豫）
最后,，該團隊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?；贐M-Br發(fā)光層的LED器件發(fā)出明亮的深藍光,，其CIE顏色坐標為(0.159, 0.097)，很好的對應(yīng)了顯示器深藍指數(shù)的標準坐標,；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)出一個負熱猝滅(NTQ)范圍,，并且在室溫300 K左右達到最大強度，在450 K之前熱猝滅較弱,?；贐M-Br發(fā)光層的深藍光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,，九三學社社員，2016年于中科院化學研究所獲得博士學位,，2015年9月至2016年4月在新加坡南洋理工大學進行訪問學習?，F(xiàn)任北京理工大學前沿交叉科學研究院預(yù)聘助理教授（特別副研究員），博士生導師,。主要研究方向為有機-無機雜化的光電功能材料,，在“高效且穩(wěn)定的有機-無機雜化金屬鹵素鈣鈦礦光伏器件”和“低維有機-無機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,。主持國家自然科學基金面上和青年基金等項目。
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