高压调控实现一维金属卤化物90%荧光量子效率

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低维金属卤化物作为一种新型的发光材料近年来受到了广泛关注，其自陷态激子（STE）产生的宽带发射有望应用于单组分白光LED。尽管近些年人们已经开发出多种低维卤化物发光材料，但是要实现这类材料更好的实际应用，需要对其结构物性关系有更深入的认识，从而进一步优化发光性能。

北京高压科学研究中心的吕旭杰研究员和杨文革研究员领导的研究团队最新发现，压力可以有效抑制自陷态激子的非辐射复合速率，从而在一维杂化金属卤化物中实现了90%的荧光量子效率（图1）。该工作首次在吉帕高压（GPa）尺度上实现了荧光量子产率的确定。相关成果以“Reaching 90% photoluminescence quantum yield in one-dimensional metal halide C₄N₂H₁₄PbBr₄ by pressure-suppressed non-radiative loss”为题，发表于近期的《美国化学会会志》（Journal of the American Chemical Society）上。佛罗里达州立大学、阿贡国家实验室、橡树岭国家实验室的研究人员合作参与了该工作。

图 1. 压力大幅抑制一维C₄N₂H₁₄PbBr₄的非辐射复合，实现90%的荧光量子效率。

“低维金属卤化物具有非常独特的电子结构和光学性质，其自限态激子发光效率高，覆盖光谱范围宽，有望用于单组元白光LED。这类材料晶格较软（杨氏模量低），电子-声子耦合作用强，结构的调整会对发光性质产生巨大的影响” 。“通过压力等外场调控改变其晶格、电子结构，原位监测其性质的演变，有助于人们加深对这类材料结构-物性关系的理解，并帮助筛选新型的高效发光材料”，吕旭杰研究员说到。

该团队选择了一种一维金属卤化物C₄N₂H₁₄PbBr₄作为研究对象，这一化合物由PbBr6八面体共边连接形成的双链构成（图2），具有较好的宽光谱发光效率（常压下PLQY为20%）。他们利用高压同步辐射X射线衍射、拉曼、吸收、稳态和时间分辨荧光等系列原位测试技术，结合理论计算对其结构、激子的辐射和非辐射复合等行为与发光效率之间的关系进行了系统而深入的研究并首次在吉帕高压下实现了样品荧光量子效率的标定。

他们发现，高压可以显著提升发光效率：当压力达到2.8 GPa时，C₄N₂H₁₄PbBr₄的荧光量子效率从初始的20%提升至90%。原位时间分辨光谱分析表明（图3），在2.8 GPa下辐射复合速率提升了18%，而非辐射复合速率被抑制了33倍。

“大幅抑制的非辐射损失是增强荧光量子效率的主要原因， 压力可以有效地调整自陷态的能级并增加激子束缚能”，吕旭杰研究员解释到。“更高结合能、更局域化的激子被散射的可能性降低，导致更大的斯托克斯位移和显著抑制的非辐射衰减，另外，原位拉曼光谱显示，在高压下有机离子的运动被显著抑制，进一步降低了激子散射的几率。”

“我们的研究表明，压力可以有效调控低维金属卤化物中的自限态激子行为，提升其发光性能，结合原位表征可以加深人们对这类材料中结构与物性关系的了解，从而为探索具有优异性能的新材料提供指导和借鉴”，杨文革研究员说到。

图 2. C₄N₂H₁₄PbBr₄的晶体结构

图 3. a, b) 不同压力下样品荧光随时间的衰减。

c, d) 不同压力下激子的寿命及辐射、非辐射复合速率

作者简介：

吕旭杰，北京高压科学研究中心研究员，博士生导师。主要从事高压功能材料及其多维度调控研究。重点关注光电材料，包括金属卤化物材料，过渡金属氧化物和过渡金属硫族化合物等。采用先进的同步辐射和物性表征技术，原位观测材料在外部刺激下（包括压力、温度、磁场、激光、电磁辐射等），其结构和性质的变化，并深入理解其变化规律。另外，利用高压和高低温等极端条件探索常规方法无法获得的新材料和新结构，并通过纳米复合薄膜的设计生长在常压下实现新性能，寻求其在能源转换和存储方面的应用。近年来发表了包括Nature，J. Am. Chem. Soc.，Adv. Mater.，Angew. Chem. Int. Ed. 等在内的SCI论文70多篇，总引用超过4600次，H因子为36。

论文链接：

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

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