温州大学潘跃晓团队在钙钛矿发光材料研究领域取得进展

无机卤化物钙钛矿具有可见光区域内发光可调、光致量子发光效率高和色域宽等优异光电特性,在固态照明、显示器等领域有广阔的应用前景。为了进一步推进该类材料的实际应用,研究人员希望在保持此类材料结构的同时,能够降低其缺陷密度与提高光电效率,同时毫米级尺寸无机卤化物钙钛矿发光单晶有望在大功率白光LED等领域取得应用。

近日,温州大学潘跃晓教授指导的研究生黄叶鑫以无机卤化物钙钛矿CsCdCl3为基质,通过Mn2+离子掺杂,诱导CsCdCl3钙钛矿晶体结构收缩,随着Mn2+掺杂浓度的进一步增加,导致向CsMnCl3.2H2O的结构转变,进而研究了掺杂浓度引发对与相变而引起了发光性质变化的规律。通过调节Mn2+掺杂浓度,可调控晶格畸变程度进而实现了发射波长从570 nm到640 nm的移动,并阐述了CsCdCl3:Mn2+的发射机理。

CsCdCl3:Mn2+在360、370、420、440 nm不同的激发波长下,均呈现单一的橙红色发光,由此可推测在晶体内只存在一种发射格位,并且该结果可能归因于Mn2+的(4T1(G)-6A1(S))轨道跃迁,从而呈现典型的橙红色发光。

温州大学潘跃晓团队在钙钛矿发光材料研究领域取得进展

密度泛函理论(DFT)计算结果显示,CsCdCl3中的Cd2+被Mn2+取代之后,改变CsCdCl3的电子结构,从而改变其光物理性质,掺杂后CsCdCl3:Mn2+的光吸收明显增强,这对提高光致发光效率具有重要意义。

此外, Mn2+掺杂浓度超过90%时,占主导地位的Mn2+会诱导晶体从三维的CsCdCl3转变为一维的CsMnCl3.2H2O,引起了光谱性能的显著变化。以上结果揭示了Mn2+离子掺杂与CsCdCl3晶体结构相变行为的内在联系,探讨了钙钛矿晶体中掺杂诱导相变的机制。

最后,基于此材料独特的激发特性,其可适配于商用的紫外和蓝光芯片,从而制备出高性能的白色发光二极管(WLEDs)。因此,开发更新颖的无机卤化物钙钛矿晶体,解释其发光与结构转变的机理,拓展其实际应用仍是当前研究的热点问题。

这一研究结果以“Large spectral shift of Mn2+ emission due to the shrinkage of crystalline host lattice of the hexagonal crystals CsCdCl3 and phase transition”为题发表在《Inorganic Chemistry》,并入选为封面文章。温州大学作为第一通讯单位,化学与材料工程学院2020级硕士研究生黄叶鑫为第一作者,潘跃晓教授为通讯作者。 相关工作受到国家自然科学基金(5217215)、浙江省重点自然科学基金(LZ20E020003, LQ22B010003)与温州市重点项目(ZG2020025)的资助。

(1)全无机卤化物钙钛矿CsPbX3 (X=Cl, Br, I)通常在极性溶剂中面临分解和降解的问题,因此发展原位钝化钙钛矿量子点同时维持荧光效率和波长是个亟需解决的难题。

温州大学潘跃晓、中科院长春应化所林君等人报道发展了一种简单有效的原位晶化方法能够显著改善钙钛矿量子点的稳定性,通过在含有水的极性溶剂通过4-溴丁酸(BBA)和油胺(OLA)的协同作用实现提高钙钛矿量子点在溶液中的稳定性。

温州大学潘跃晓团队在钙钛矿发光材料研究领域取得进展

研究发现,BBA:OLA的分子摩尔比例与反应温度对于溶液相钙钛矿量子点的稳定性至关重要。单分散状态的10 nm CsPbBr3量子点在60 ℃溶液(甲苯:水=1:1)中展示了优异的荧光量子产率(86.4 %),而且CsPbBr3量子点的荧光量子产率在放置96 h后仍保持79 %,相比而言没有加入BBA时钙钛矿量子点快速的发生荧光淬灭。

温州大学潘跃晓团队在钙钛矿发光材料研究领域取得进展

本文研究为设计合成稳定性较高的、能够在极性溶剂中具有稳定性的全无机钙钛矿量子点提供机会,展示了界面化学的前景和发展方向。(来源:温州大学)

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