NML研究文章｜X射线成像“利器”：超稳定CsPbBr3纳米片

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Ultra-stable CsPbBr₃ Nanosheets for X-ray Imaging Screen

Liangling Wang, Kaifang Fu, Ruijia Sun, Huqiang Lian, Xun Hu, Yuhai Zhang

Nano-Micro Lett. (2019) 11: 52

https://doi.org/10.1007/s40820-019-0283-z

    本文亮点     

1  采用改进的沉淀法，室温绿色合成克级CsPbBr₃纳米片胶体，在节省溶剂的前提下保证较高的反应收率（70mg/mL），是传统热注射法的20倍以上。

2  由于量子尺寸效应和PbBr₂钝化作用，所合成的CsPbBr₃纳米片胶体具有长期储存稳定性，可保存在有盖小瓶中8个月以上，同时保留94%的原量子产率（~68%,固体薄膜测试条件）。

3  通过改变铅/铯的进料比，可以对晶体相和发射带进行微调。CsPbBr₃纳米片具有自组装行为，不仅使人们能够仔细研究薄纳米片和厚纳米片之间的能量传递过程，而且形成的无裂纹的薄膜能够方便用于X射线成像显示屏中。

         内容简介         

以铅卤化物-钙钛矿材料为基础的薄膜光电器件具有显著的光电性能。作为一种潜在的闪烁体，无机钙钛矿纳米晶显示出比传统闪烁材料更为显著的优势。

高质量钙钛矿胶体的可扩大合成是钙钛矿基光电器件实际应用的前提。其合成方法包括热注射法、室温沉淀法、乳液法和模板辅助法。然而，这些基于湿化学的方法通常需要使用大量溶剂进行分散，合成的纳米晶固体量却很少。

因此，人们提出了许多降低溶剂消耗来提高合成规模的方法。如球磨诱导结晶和超声波辅助合成，试图以低成本的方式实现钙钛矿纳米晶的克级生产。然而，所得到的纳米晶的稳定性不好。

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济南大学张玉海教授课题组合成出可用于X射线成像屏的超稳定的CsPbBr₃纳米片（可稳定储存8个月以上），系统研究了纳米片的稳定性，并展示了其用于X射线成像仪显示屏的潜力。王亮玲副教授为论文的第一作者。

本文用一种室温绿色合成法，以最少溶剂合成CsPbBr₃纳米片。钙钛矿胶体具有长期储存稳定性，8个月内光致发光量子产率（固态PLQY）保持在63%。

重要的是，胶体纳米片在缓慢凝固时表现出自组装行为，可大面积形成无裂纹均匀薄膜，该薄膜被证明可作为X射线成像的有效闪烁屏。

本文绿色合成了超稳定、高产率的高质量的钙钛矿纳米晶体，为钙钛矿薄膜在大面积光电器件中的工业应用提供实验依据。

      图文导读      

 CsPbBr₃纳米片的合成

采用改进的沉淀法，室温绿色合成克级CsPbBr₃纳米片胶体，具有高反应收率，大量节省了有机溶剂。每使用1mL溶剂可获得70mg 纳米晶固体，是传统热注射法的20倍以上。

由于量子尺寸效应和PbBr₂钝化作用，所合成的CsPbBr₃纳米片胶体具有长期储存稳定性，可保存在有盖小瓶中8个月以上，同时保留94%的原量子产率（~68%）。

图1 CsPbBr₃纳米晶体的合成方法、反应产率、稳定性及自组装现象。

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CsPbBr₃晶体相和发射带的微调

通过调整Pb/Cs的投料比，对CsPbBr₃ 纳米晶尺寸和结晶相进行调控。粒径与钙钛矿体系的相稳定性密切相关。

随着进料比的增加，颗粒逐渐从70纳米多角形变为21纳米片，表明纳米晶的大表面能可能提高其稳定性。XRD峰的展宽反映晶粒尺寸的减小。随着纳米晶尺寸的减小，晶体相从正交变为立方，这可由21.4^o和21.6^o处的峰值合并证明。这可以归因于从略微倾斜的八面体网络到有序阵列的晶格重新排列。

图2 通过改变Pb/Cs的摩尔比，对CsPbBr₃ 纳米晶进行相微调。a）显示从大块立方体到薄纳米片形态转变的TEM图像。b）纳米片的高分辨透射电镜图像（Pb:Cs=5:1）。c）从正交相到立方相演变的XRD图。（d）放大后的XRD峰在峰宽（FWHM）上显示出明显差异，表明晶粒尺寸收缩。

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CsPbBr₃纳米片用于X射线成像仪

有效的能量转移可以为有效辐射发光提供级联能量。CsPbBr₃纳米片的薄膜在X射线照射下显示出轻微的红移辐射发光，如图5所示。同时，随着薄膜厚度从5μm增加到25μm，观察到从515到520 nm的红移，这归因于增强的重吸收。

将纳米片滴在玻璃载玻片上，在室温下自然干燥，形成一层扁平薄膜。注意，在高温（50 ^oC）下干燥会导致产生裂缝（图5c）。然后使用投影屏幕记录传输的X射线所携带的空间信息。X射线成像仪对SIM卡进行成像，内部结构可以在~330μm的相对高分辨率下清晰显示。

图5 基于CsPbBr₃纳米片的X射线闪烁屏。a）不同厚度薄膜的辐射光谱。插图给出了一个半透明薄膜样品。b）无裂纹屏和c）裂纹屏的辐射发光图像。手机SIM卡的d）照片和e）X射线图像。

作者简介

王亮玲

（本文第一作者）

副教授，硕士生导师

济南大学物理科学与技术学院

▌主要研究方向

目前致力于钙钛矿生长、发光机理方面的研究工作。

▌研究成果

第一作者在Opt. Express、J. Appl. Phys.、Appl. Sur. Sci.等期刊上发表SCI收录论文20余篇。主持与参与多项国家自然科学基金项目。

E-mail: [e-mail]

张玉海

（本文通讯作者）

教授、博士生导师

济南大学前沿交叉科学研究院

▌主要研究方向

稀土材料的基础研究和应用
▌成果与奖项
近5年来，作为第一作者和共同作者在NatureCommun., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed.等国际知名学术期刊共发表论文20余篇；其中ESI高引论文3篇，累计影响因子大于170，论文共计引用1000余次，单篇最高被引200余次。2018年泰山学者青年专家称号。
▌诚邀英才
课题组现在招博士生，博士后和青年教师若干，有兴趣者可将简历发送至如下邮箱：E-mail: [e-mail]

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