吉林大学邹勃教授CCS Chemistry：从绿变红高压下二维钙钛矿[(HO)(CH2)2NH3)]2PbI4实现大尺度发光调控

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吉林大学邹勃教授课题组利用高压方法实现了二维有机无机杂化钙钛矿材料——[(HO)(CH₂)₂NH₃)]₂PbI₄ 发光颜色的调制。同时，低压力下通过二维结构中独特的层间压缩效应实现了对无辐射跃迁的抑制，使低压力范围内出现压力诱导荧光增强的现象。

具有高的光吸收系数以及较长载流子寿命的钙钛矿材料近年来引起了研究人员的广泛关注。将有机长链阳离子引入钙钛矿结构中的二维钙钛矿材料，因为其突出的稳定性而备受瞩目。作为首个将醇基双官能团胺阳离子引入钙钛矿结构中的二维钙钛矿材料，[(HO)(CH₂)₂NH₃)]₂PbI₄具有丰富的氢键连接而具有更高的稳定性以及更加稳固的天然量子阱结构。然而，在实际应用中有效地设计其光学特性仍是一个相当大的挑战。

高压作为独立于热力学参量之外的变量，是改变材料晶体结构以及电子结构的重要手段。近年来的系列工作发现，高压可以有效调控金属卤化物钙钛矿材料的晶体结构和电子行为，同时还能够发现新奇的结构和性质，为合成常规条件无法得到的新型功能材料提供了重要源泉。

吉林大学邹勃教授课题组对[(HO)(CH₂)₂NH₃)]₂PbI₄二维钙钛矿材料进行了高压光学、高压同步辐射和电子结构理论计算研究，发现通过晶格收缩减小原子间的距离，从而窄化带隙，有效调节晶体发光颜色。在较低压力下通过二维结构中独特的层间压缩效应实现了对无辐射跃迁的抑制，使低压力范围内出现压力诱导荧光增强的现象。

作者研究了[(HO)(CH₂)₂NH₃)]₂PbI₄ 的高压光致发光性质（图1）。[(HO)(CH₂)₂NH₃)]₂PbI₄在1.5 GPa的压力作用下表现出了明显的荧光增强，其荧光强度大约为常压时的四倍。同时当压力继续升高至10.0 GPa, 晶体发光颜色出现由绿到红的大尺度可调性。在较低压力下通过二维结构中独特的层间压缩效应，实现了对无辐射跃迁的有效抑制，使低压力范围内出现压力诱导荧光增强以及发光峰对称性提高的现象。压力诱导荧光颜色的丰富变化与无机八面体收缩引起电子结构的转变有着密切的关系。

图1

为进一步证明高压下材料的电子结构变化，作者进行高压下[(HO)(CH₂)₂NH₃)]₂PbI₄ 吸收光谱的研究（图2）， 发现带隙在10.0 GPa之内持续地线性窄化，这一结果证实了压力可以精准调控该材料的电子结构。

图2

通过对高压同步辐射数据的分析以及使用密度泛函理论（DFT）对电子结构的计算，揭示了二维钙钛矿结构中层间以及层内变化对晶体电子结构和光学性质的调制。进一步验证了压力诱导荧光增强和带隙调控的机制。

作者利用高压技术调控了二维金属卤化物钙钛矿的光学性质，实现了荧光增强，荧光颜色调制以及带隙窄化。这一研究结果进一步丰富了人们对二维钙钛矿材料的认识，为未来设计和开发高性能的二维金属卤化物钙钛矿光伏材料提供了新的思路。

原文链接
https://doi.org/10.31635/ccschem.020.202000430

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