低維金屬鹵化物作為一種新型的發(fā)光材料近年來受到了廣泛關注，其自陷態(tài)激子（STE）產(chǎn)生的寬帶發(fā)射有望應用于單組分白光LED。盡管近些年人們已經(jīng)開發(fā)出多種低維鹵化物發(fā)光材料，但是要實現(xiàn)這類材料更好的實際應用，需要對其結(jié)構物性關系有更深入的認識，從而進一步優(yōu)化發(fā)光性能。

北京高壓科學研究中心的呂旭杰研究員和楊文革研究員領導的研究團隊最新發(fā)現(xiàn)，壓力可以有效抑制自陷態(tài)激子的非輻射復合速率，從而在一維雜化金屬鹵化物中實現(xiàn)了90%的熒光量子效率（圖1）。該工作首次在吉帕高壓（GPa）尺度上實現(xiàn)了熒光量子產(chǎn)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(fā)表于近期的《美國化學會會志》（Journal of the American Chemical Society）上。佛羅里達州立大學、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的非輻射復合，實現(xiàn)90%的熒光量子效率。 “低維金屬鹵化物具有非常獨特的電子結(jié)構和光學性質(zhì)，其自限態(tài)激子發(fā)光效率高，覆蓋光譜范圍寬，有望用于單組元白光LED。這類材料晶格較軟（楊氏模量低），電子-聲子耦合作用強，結(jié)構的調(diào)整會對發(fā)光性質(zhì)產(chǎn)生巨大的影響” ?！巴ㄟ^壓力等外場調(diào)控改變其晶格、電子結(jié)構，原位監(jiān)測其性質(zhì)的演變，有助于人們加深對這類材料結(jié)構-物性關系的理解，并幫助篩選新型的高效發(fā)光材料”，呂旭杰研究員說到。 該團隊選擇了一種一維金屬鹵化物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(fā)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(wěn)態(tài)和時間分辨熒光等系列原位測試技術，結(jié)合理論計算對其結(jié)構、激子的輻射和非輻射復合等行為與發(fā)光效率之間的關系進行了系統(tǒng)而深入的研究并首次在吉帕高壓下實現(xiàn)了樣品熒光量子效率的標定。 他們發(fā)現(xiàn)，高壓可以顯著提升發(fā)光效率：當壓力達到2.8 GPa時，C4N2H14PbBr4的熒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下輻射復合速率提升了18%，而非輻射復合速率被抑制了33倍。 “大幅抑制的非輻射損失是增強熒光量子效率的主要原因， 壓力可以有效地調(diào)整自陷態(tài)的能級并增加激子束縛能”，呂旭杰研究員解釋到?！案呓Y(jié)合能、更局域化的激子被散射的可能性降低，導致更大的斯托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幾率?！? “我們的研究表明，壓力可以有效調(diào)控低維金屬鹵化物中的自限態(tài)激子行為，提升其發(fā)光性能，結(jié)合原位表征可以加深人們對這類材料中結(jié)構與物性關系的了解，從而為探索具有優(yōu)異性能的新材料提供指導和借鑒”，楊文革研究員說到。

圖 2. C4N2H14PbBr4的晶體結(jié)構

圖 3. a, b) 不同壓力下樣品熒光隨時間的衰減。 c, d) 不同壓力下激子的壽命及輻射、非輻射復合速率

作者簡介：

呂旭杰，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(diào)控研究。重點關注光電材料，包括金屬鹵化物材料，過渡金屬氧化物和過渡金屬硫族化合物等。采用先進的同步輻射和物性表征技術，原位觀測材料在外部刺激下（包括壓力、溫度、磁場、激光、電磁輻射等），其結(jié)構和性質(zhì)的變化，并深入理解其變化規(guī)律。另外，利用高壓和高低溫等極端條件探索常規(guī)方法無法獲得的新材料和新結(jié)構，并通過納米復合薄膜的設計生長在常壓下實現(xiàn)新性能，尋求其在能源轉(zhuǎn)換和存儲方面的應用。近年來發(fā)表了包括Nature，J. Am. Chem. Soc.，Adv. Mater.，Angew. Chem. Int. Ed. 等在內(nèi)的SCI論文70多篇，總引用超過4600次，H因子為36。

原文標題：高壓調(diào)控實現(xiàn)一維金屬鹵化物90%熒光量子效率

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