云南大学王茺、休斯顿大学包吉明《Small》: 在纯水中通过形貌转化实现发光的三维钙钛矿纳米晶与二维钙钛矿纳米线结合用于光波导

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近日，材料与能源学院王茺团队在全无机钙钛矿铅卤化合物纳米线光波导材料的研究中取得新进展，相关结果以题为“Integration of highly luminescent lead halide perovskite nanocrystals on transparent lead halide nanowire waveguides through morphological transformation and spontaneous growth in water”的文章发表在学术期刊Small上。 
图1 粉末状CsPbBr₃晶体投入纯水中生成CsPb₂Br₅晶体及其形貌演变
全无机钙钛矿因其优异的物理化学性质，在低成本太阳能光伏组件、量子通讯、微光探测、激光以及柔性显示等领域具有巨大应用潜力。在前期工作（Advanced Materials, 2019, 31:1902492）中，我们曾用同一微区的显微拉曼/荧光的静、动态相结合的“结构—性能”的光谱探测技术，揭示了二维层状全无机钙钛矿CsPb₂Br₅的发光起源，并确定纯相CsPb₂Br₅晶体是带隙为3.45 eV间接带隙半导体。尽管如此，学术界对于在CsPb₂Br₅纳米线上观察到强发光的物理起源问题仍无明确界定。为澄清CsPb₂X₅（X=Br, Cl和I）系列钙钛矿中悬而未决的光学问题，我们向高纯水中投入粉末状CsPbBr₃晶体，通过调控溶液温度、磁力搅拌速率和浴洗时间，先后生成了CsPb₂Br₅白色沉淀颗粒、方形CsPb₂Br₅微纳米薄片，并在降温冷却至室温静置后，完全转化为尺寸相对均匀的CsPb₂Br₅纳米线（如图1）。整个合成过程未使用复杂有机溶剂和配相液，从而在避免样品被污染的同时，实现了CsPb₂Br₅钙钛矿纳米材料形貌的调控。研究发现CsPb₂Br₅纳米线在纯水这种极性溶剂中的各向异性生长属于过饱和度调控的溶解-重结晶过程。 
图2 （a-b）CsPb₂Br₅纳米线显微图片及在紫外照射下的发光图片；（c-d）CsPb₂Br₅纳米线的SEM图片；（e-g, h-k）CsPb₂Br₅纳米线表面上CsPbBr₃纳米结构沉淀相的显微发光及对应的SEM图片；（l）发光与不发光CsPb₂Br₅纳米线之间的显微拉曼谱对比
采用同一微区的显微荧光/拉曼的静态光谱探测技术，结合透射&扫描电子显微技术，证实CsPb₂Br₅纳米线表面强烈的绿色发光起源于纳米线从溶液中取出自然干燥过程中其表面的共生沉淀相——CsPbBr₃纳米晶（如图2所示）。随后，同样在卤素掺杂的CsPb₂Br_5-γX_γ（X=Cl或I）纳米线表面也观察到强烈发光，在这些卤素掺杂纳米线表面上也证实了与之对应的CsPbBr_3-γX_γ（X=Cl或I）纳米晶的存在及其光发射行为（色域从靛蓝色到橙色）。
研究还发现钙钛矿纳米线具有良好的光波导性能。当用405 nm蓝光激发纳米线上生长了单颗CsPbBr₃纳米晶鼓包那一端时，即将CsPbBr₃纳米晶作为点光源，在另一端就能测到单纳米晶经过CsPb₂Br₅纳米线波导传送来的低损耗绿色发光信号（如图3a-c所示）。反之，当用蓝光激发纳米线上光滑且无CsPbBr₃纳米鼓包的那一端，纳米线先把405 nm蓝光波导到另一端并激发那颗CsPbBr₃纳米鼓包，促使纳米鼓包发出耀眼绿光（如图3d-f所示）。该类纳米线优异的光波导性能，表明CsPb₂Br₅纳米线为良好的定向生长单晶，这为通过显微探针在荧光非活性的透明钙钛矿纳米线上“安装”点光源作为芯片上新型光波导器件奠定了基础。 
图3（a-b）用405nm蓝色激光激发CsPb₂Br₅纳米线上生长了一颗CsPbBr₃纳米鼓包的上端的绿光发射以及对应（c）纳米线波导终端(下端)的发光信号;（d-e）从CsPb₂Br₅纳米线下端激发光学图片以及对应（f）纳米线波导来的蓝光致使上端CsPbBr₃纳米鼓包的发光信号；（g）单纳米线光波导示意图(上)和SEM照片。
云南大学材料与能源学院为该论文的第一完成单位，云南大学王茺研究员和美国休斯敦大学包吉明教授为论文共同通讯作者。

原文链接

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/smll.202105009

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