非鉛Cs2NaBiX6雙鈣鈦礦納米晶的高效光致發(fā)光動(dòng)力學(xué)
近日,天津大學(xué)趙廣久教授團(tuán)隊(duì)在鈣鈦礦材料的激發(fā)態(tài)化學(xué)機(jī)制研究方面取得突破性進(jìn)展。相關(guān)研究成果發(fā)表在《Chemical Engineering Journal》(IF: 10.65)上。該團(tuán)隊(duì)首次合成了一種新型非鉛雙鈣鈦礦材料,并調(diào)控晶格畸變,調(diào)控了激發(fā)態(tài)載流子動(dòng)力學(xué),從而顯著促進(jìn)了光致發(fā)光量子產(chǎn)率的提升,對(duì)進(jìn)一步的材料開發(fā)和應(yīng)用有很強(qiáng)的指導(dǎo)意義。 研究背景 在過去的十年中,關(guān)于鈣鈦礦材料的開發(fā)和應(yīng)用一直在光伏電池和發(fā)光領(lǐng)域得到了極大的發(fā)展。鈣鈦礦納米晶體的與其塊狀材料相比,具有許多優(yōu)勢(shì),例如鈣鈦礦納米晶具有高的光致發(fā)光量子產(chǎn)率,顏色可調(diào),同時(shí)易于大規(guī)模制備柔性器件。因此,鹵化鈣鈦礦納米晶體已成為研究人員的重要研究對(duì)象。 不幸的是,鉛的毒性限制了鹵化鉛的進(jìn)一步應(yīng)用鈣鈦礦納米晶體。最近報(bào)道了一些無鉛鈣鈦礦納米晶體的合成,但是其很難構(gòu)造3D的鈣鈦礦結(jié)構(gòu),導(dǎo)致性能不佳。鉛基鈣鈦礦的出色光學(xué)性能NC由獨(dú)特的3D鈣鈦礦結(jié)構(gòu)和ns2電子軌道,使其具有優(yōu)異的電荷載流子行為。同時(shí),幾種雙鈣鈦礦納米晶體 3D結(jié)構(gòu)取得了一些進(jìn)展。但是有兩個(gè)問題仍然存在。一種是開發(fā)更新穎的雙納米晶體來配合設(shè)備的應(yīng)用;另一種是使用高精度光譜探索更深層次的激發(fā)態(tài)動(dòng)力學(xué)。因此,更有效的合成技術(shù)改造和更深刻的載流子動(dòng)力學(xué)研究是目前最有效的方法,這可提高無鉛鈣鈦礦納米晶體的應(yīng)用前景。 研究基礎(chǔ) 在前期的研究中,團(tuán)隊(duì)在鈣鈦礦光電材料設(shè)計(jì)與機(jī)理研究方面取得了一系列的原創(chuàng)性成果。前期我們團(tuán)隊(duì)通過離子摻雜誘導(dǎo)相轉(zhuǎn)變,從非活性相轉(zhuǎn)變?yōu)榛钚韵啵沟冒l(fā)光效率得到大幅度提高 (Angew. Chemie. Int. Ed. 2019, 58, 11642.) ; 在認(rèn)識(shí)到晶型對(duì)發(fā)光調(diào)控的重要影響后,我們進(jìn)一步地通過離子摻雜控制晶格變形程度進(jìn)而調(diào)控發(fā)光峰的寬度,可以在實(shí)現(xiàn)高發(fā)光效率的同時(shí)隨意控制發(fā)光峰寬度的窄化和拓寬(Chem. Eng. J. 2020, 125367; J. Lumin. 2020, 117045; 2D Mater. 2020, 7, 031008.);最后我們?yōu)榱碎_發(fā)多手段實(shí)現(xiàn)構(gòu)象調(diào)控,我們通過引入不同的左右旋手性基團(tuán),從而實(shí)現(xiàn)手性的傳遞和放大(J. Mater. Chem. C. 2020, 8, 5673. Phys. Chem. Chem. Phys. 2020, 22, 17299.)。 研究進(jìn)展 在這項(xiàng)工作中,趙廣久團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新地開發(fā)了高效光致發(fā)光鈉鉍雙鈣鈦礦Cs2NaBiX6(X = Cl,Br)納米晶體。該團(tuán)隊(duì)通過離子摻雜控制晶格畸變,促進(jìn)自陷態(tài)激子的捕獲,實(shí)現(xiàn)了超快的熱載流子弛豫;同時(shí),DFT理論計(jì)算分析表明離子摻雜后的晶體的能帶結(jié)構(gòu)從間接帶隙轉(zhuǎn)變?yōu)橹苯訋叮龠M(jìn)了電子空穴的輻射復(fù)合;此外離子摻雜也降低了晶體的體相缺陷,減少了缺陷產(chǎn)生的非輻射復(fù)合。以上三者的貢獻(xiàn)綜合作用從而大幅度促進(jìn)了光致發(fā)光產(chǎn)率的提升,結(jié)果離子摻雜后的雙鈣鈦礦Cs2NaBiCl6 NCs可顯示約16%的明亮寬帶光致發(fā)光PLQY,高于迄今為止報(bào)告的單組分鈣鈦礦發(fā)光材料(2-10%)。我們的研究為未來的新材料的開發(fā)和應(yīng)用提供了指導(dǎo)。
天津大學(xué)
2021-02-01