港理工黄勃龙、南开杜亚平《Adv. Funct. Mater.》: 真空蒸发辅助合成新型稀土基双钙钛矿实现高效全光谱白光LED

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研究内容

目前，半导体发光二极管（LED）技术因其较高的冷光效率和较长的工作寿命而得到广泛应用。随着对高品质照明器件的追求，实现类似太阳光的全光谱发光技术将成为照明发展的重要领域。迄今为止，白光LED（WLED）最常见的解决方案是将光谱与多色荧光粉（红、绿、黄）集成，需要多种光学材料和工艺，并且效率低成本高。因此，开发高效、全光谱的白光发光材料是目前发光领域的研究重点。

针对该挑战，南开大学杜亚平教授团队联合香港理工大学黄勃龙教授团队，利用真空蒸发辅助（VEA）合成方法合成了具有可调控自由激子（FE）和自陷态激子（STE）发光的Sc基双钙钛矿材料Cs₂AgScCl₆:xBi。这种钙钛矿可用作白色荧光粉来组装高质量的白色照明装置。本工作首先详细介绍了真空蒸发辅助合成方法的合成思路，并在此基础上成功合成了稀土基双钙钛矿Cs₂AgScCl₆:xBi，详细地研究了其结构、光学性质、发光机理和照明应用。研究发现改变Bi³⁺的掺杂量可以有效调节自由激子（FE）和自陷态激子（STE）的发射强度。在经过掺杂浓度优化后，Cs₂AgScCl₆:0.05Bi可以发出强白光，量子产率高达60%，半峰全宽范围超过280 nm。理论计算则计算揭示了由 Bi 掺杂引起的调控，发现 Bi 掺杂能够丰富Cs₂AgScCl₆中的电子转移路径，对较宽范围内的光激发具有更高的响应。同时，Bi掺杂诱导的Jahn-Teller效应和对缺陷的抑制也促进了发光性能。因此，使用了该稀土钙钛矿的 WLED 显示出高质量的白光，色温约为 4100K，显色指数（R_a） = 90，色彩逼真度指数 (R_f) = 92 和 色彩饱和度指数（R_g）= 96。这项工作为开发高性能单组分全光谱光学材料及其在健康照明中的应用提供了新的方向。这项工作也说明了稀土钙钛矿材料在光学应用中的巨大发展潜力，为未来新型稀土钙钛矿发光材料的设计和制备提供新的策略。

图一：真空蒸发辅助合成新型稀土基双钙钛矿实现高效全光谱白光LED。

图二：基于真空辅助方法（VEA）的合成过程示意图。 (i) 溶解 Cs、Sc、Bi 离子前驱体和 NH₄Cl。(ii) 加热溶解 AgCl。(iii) 除去溶剂得到固体前驱体。 (iv) VEA法合成Cs₂AgScCl₆:Bi钙钛矿以及VEA合成系统示意图。

图三：Cs₂AgScCl₆:xBi的发光性能表征。 (a) Cs₂AgScCl₆:xBi 在λ_ex = 370 nm的发射光谱。(b) Cs₂AgScCl₆:xBi在431 nm 和 600 nm峰强和 (c) 半峰全宽随着 Bi 掺杂量的增加的变化过程。 (d) 从(a)发射光谱转换而来的CIE 1931色彩图。(e) Cs₂AgScCl₆:xBi的光致发光量子产率。(f) 归一化激发光谱。(g) Cs₂AgScCl₆和 Cs₂AgScCl₆:0.05Bi的吸收光谱。(h) Cs₂AgScCl₆:0.05Bi在590 nm和431 nm的发光衰减曲线。(i) 不同各种激发和发射峰下Cs₂AgScCl₆:0.05Bi的发射和激发光谱的归一化。

图四：Cs₂AgScCl₆:0.05Bi在不同条件下的光学性能。(a) 在激发光功率变化的发射光谱。 (b) 不同激光功率下光谱不同位置的峰强变化。 (c) 与温度相关的发射光谱。 (d) ln[I₀/I_T - 1] 与 1/[k_BT] 的线性关系。(e) 时间分辨光谱。(f) 不同波长的发射寿命衰减曲线。

图五：Cs₂AgScCl₆:xBi的理论探索。 (a) Cs₂AgScCl₆和 (b) Cs₂AgScCl₆:Bi的成键反键轨道分布图。(c) Cs₂AgScCl₆和Cs₂AgScCl₆:Bi的光学性质比较。(d) Cs₂AgScCl₆，(e) Cs₂AgScCl₆:Bi和 (f) [BiCl₆] 的电子态密度。 (g) Cs₂AgScCl₆和Cs₂AgScCl₆:Bi中的键长比较。(h) Cs₂AgScCl₆和（i）Cs₂AgScCl₆:Bi 中的缺陷形成能。

图六：Cs₂AgScCl₆:xBi的发光机理研究和基于Cs₂AgScCl₆:0.05Bi 的LED 性能示意图。(a-d) 自由激子（FE）和自陷态激子（STE）在各种 Bi³⁺ 掺杂Cs₂AgScCl₆中的发射（CB：导带；VB：价带；GS：基态）。(e) 基于Cs₂AgScCl₆:xBi组装的 LED发光图像。(f) 不同正向电流下的LED器件的发射光谱。(g) LED 在不同正向电流下的外量子效率（EQE）和发光效率。(h) CIE1931 色彩图对应于(f)中的光谱。(i) Cs₂AgScCl₆:0.05Bi 在加热和紫外线辐射下的稳定性。(j) Cs₂AgScCl₆:0.05Bi的热重曲线。

原文链接

Rare-Earth-Based Perovskite Cs₂AgScCl₆:Bi for Strong Full Visible Spectrum Emission

DOI：10.1002/adfm.202204780

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202204780

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