高壓調控實現一維金屬滷化物90%螢光量子效率

2020-09-15 知社學術圈

低維金屬滷化物作為一種新型的發光材料近年來受到了廣泛關注，其自陷態激子（STE）產生的寬帶發射有望應用於單組分白光LED。儘管近些年人們已經開發出多種低維滷化物發光材料，但是要實現這類材料更好的實際應用，需要對其結構物性關係有更深入的認識，從而進一步優化發光性能。

北京高壓科學研究中心的呂旭傑研究員和楊文革研究員領導的研究團隊最新發現，壓力可以有效抑制自陷態激子的非輻射複合速率，從而在一維雜化金屬滷化物中實現了90%的螢光量子效率（圖1）。該工作首次在吉帕高壓（GPa）尺度上實現了螢光量子產率的確定。相關成果以「Reaching 90% photoluminescence quantum yield in one-dimensional metal halide C4N2H14PbBr4 by pressure-suppressed non-radiative loss」為題，發表於近期的《美國化學會會志》（Journal of the American Chemical Society）上。佛羅裡達州立大學、阿貢國家實驗室、橡樹嶺國家實驗室的研究人員合作參與了該工作。

圖 1. 壓力大幅抑制一維C4N2H14PbBr4的非輻射複合，實現90%的螢光量子效率。


「低維金屬滷化物具有非常獨特的電子結構和光學性質，其自限態激子發光效率高，覆蓋光譜範圍寬，有望用於單組元白光LED。這類材料晶格較軟（楊氏模量低），電子-聲子耦合作用強，結構的調整會對發光性質產生巨大的影響」 。「通過壓力等外場調控改變其晶格、電子結構，原位監測其性質的演變，有助於人們加深對這類材料結構-物性關係的理解，並幫助篩選新型的高效發光材料」，呂旭傑研究員說到。


該團隊選擇了一種一維金屬滷化物C4N2H14PbBr4作為研究對象，這一化合物由PbBr6八面體共邊連接形成的雙鏈構成（圖2），具有較好的寬光譜發光效率（常壓下PLQY為20%）。他們利用高壓同步輻射X射線衍射、拉曼、吸收、穩態和時間分辨螢光等系列原位測試技術，結合理論計算對其結構、激子的輻射和非輻射複合等行為與發光效率之間的關係進行了系統而深入的研究並首次在吉帕高壓下實現了樣品螢光量子效率的標定。


他們發現，高壓可以顯著提升發光效率：當壓力達到2.8 GPa時，C4N2H14PbBr4的螢光量子效率從初始的20%提升至90%。原位時間分辨光譜分析表明（圖3），在2.8 GPa下輻射複合速率提升了18%，而非輻射複合速率被抑制了33倍。


「大幅抑制的非輻射損失是增強螢光量子效率的主要原因， 壓力可以有效地調整自陷態的能級並增加激子束縛能」，呂旭傑研究員解釋到。「更高結合能、更局域化的激子被散射的可能性降低，導致更大的斯託克斯位移和顯著抑制的非輻射衰減，另外，原位拉曼光譜顯示，在高壓下有機離子的運動被顯著抑制，進一步降低了激子散射的機率。」


「我們的研究表明，壓力可以有效調控低維金屬滷化物中的自限態激子行為，提升其發光性能，結合原位表徵可以加深人們對這類材料中結構與物性關係的了解，從而為探索具有優異性能的新材料提供指導和借鑑」，楊文革研究員說到。

圖 2. C4N2H14PbBr4的晶體結構


圖 3. a, b) 不同壓力下樣品螢光隨時間的衰減。

c, d) 不同壓力下激子的壽命及輻射、非輻射複合速率

作者簡介：

呂旭傑，北京高壓科學研究中心研究員，博士生導師。主要從事高壓功能材料及其多維度調控研究。重點關注光電材料，包括金屬滷化物材料，過渡金屬氧化物和過渡金屬硫族化合物等。採用先進的同步輻射和物性表徵技術，原位觀測材料在外部刺激下（包括壓力、溫度、磁場、雷射、電磁輻射等），其結構和性質的變化，並深入理解其變化規律。另外，利用高壓和高低溫等極端條件探索常規方法無法獲得的新材料和新結構，並通過納米複合薄膜的設計生長在常壓下實現新性能，尋求其在能源轉換和存儲方面的應用。近年來發表了包括Nature，J. Am. Chem. Soc.，Adv. Mater.，Angew. Chem. Int. Ed. 等在內的SCI論文70多篇，總引用超過4600次，H因子為36。


論文連結：

https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/jacs.0c07166

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