二维钙钛矿发光调控：缺陷钝化、晶格畸变及维度工程

纳米人

2021-04-30

研究背景

近年来，二维金属卤化钙钛矿因其出色的光电性能而广泛用于光电领域，如太阳能电池，光电探测器等。三维铅卤钙钛矿由于其优异的载流子传输性能和室温下的强光致发光性能，在光点器件中取得了显着进展，但材料的快速分解限制了其商业应用。现已发现二维钙钛矿材料具有更好的水热氧气和光稳定性，在发光二极管应用中具有良好的色纯度和高亮度。但由于其缺陷过多、单色性差等缺点，限制了其在工业上的应用。此外，具有良好单色性的钙钛矿材料可以促进纯光致发光光学器件的发展，例如发射蓝光和紫光的发光二极管。因此，有必要开发一些缺陷较小、高光致发光的新型有机-无机杂化二维钙钛矿材料，同时获得较高的单色性。

成果简介

天津大学赵广久团队首次将界面和晶体工程相结合，通过缺陷钝化和晶格畸变的协同调控，合成了一种新型的二维固态高效光致发光 (PEA)₂PbBr_xCl_4-x/PbCl₂(x=0, 0.5, 2, 2.5, 3, 4)体系（C. Zhou,¹ C. Wang,¹ Y. Chu, L. Ma, Y. Liu, X. Zhang, X. Yu, H. Wang, G. Zhao* 2D Mater. 2020, 7, 031008.）。PbCl₂对二维钙钛矿晶界缺陷的钝化导致了光致发光(PL)的增强，并通过界面工程延长了平均光致发光寿命。此外，溴离子掺杂降低了钙钛矿型八面体的结构畸变程度。结果表明，在(PEA)₂PbBr_xCl_4-x/PbCl₂体系中，由于晶格畸变，使PL由白色调谐为蓝色。这些结果表明，(PEA)₂PbBr_xCl_4-x/PbCl₂体系通过界面和晶体工程相结合的协同调控策略，在光电子器件中具有潜在的应用前景。

除了对晶面缺陷钝化及晶格畸变外，掌握如何调控钙钛矿的几何构型，设计具有高性能和优异稳定性的新型钙钛矿材料也非常重要。赵广久团队提出了对二维钙钛矿材料的维度工程策略，实现了钙钛矿由二维纳米片向准二维纳米晶的维度转变，这为提升钙钛矿性能，拓宽新型材料提供了新的设计思路（L. Ma,¹ C. Wang,¹ Y. Chu, Y. Guo, X. Feng, Z. Yu, H. Zhang, G Zhao*, 2D Mater. 2021, 8, 021003.）。利用碱金属Cs⁺引入二维钙钛矿(PEA)₂PbBr₄ NPs中扩展了铅卤八面体的有序链接，将有机阳离子PEA⁺有序的排布于(PbBr₆)^4-外面，既显著增加类似三维钙钛矿材料的载流子迁移率，又实现了具有二维钙钛矿的量子阱结构，从而实现了准二维钙钛矿的有序结构。在实验方面证明了准二维钙钛矿的结构的形成，维度的增大导致其稳态光谱特征红移的表现。激发态动力学的研究揭示了准二维钙钛矿纳米晶的本征发光途径，经Förster能量转移后，光致发光全部来源于自由激子的辐射复合。准二维纳米晶的发光途径高效单一，其光致发光全部来源于自由激子的辐射复合，且准二维钙钛矿纳米晶具有优异的光稳定性及衰减寿命稳定性。并且二维钙钛矿经升维后的准二维钙钛矿纳米晶的稳定性及光致发光量子产率增强，并给出了维度转变前后的光物理过程。

参考文献

1. Ma, L., et al. Highly effcient photoluminescence of 2D perovskites enabled by dimensional increasing. 2D Mater. 8, 021003 (2021).

https://iopscience.iop.org/article/10.1088/2053-1583/abdb96

2. Zhou, C., et al. Defect passivation and lattice distortion enhance solid-state photoluminescence of two-dimensional perovskites. 2D Mater. 7, 031008, (2020).

https://iopscience.iop.org/article/10.1088/2053-1583/ab8d83

团队介绍

赵广久教授团队属于天大双一流学科化学学科。团队研究特色是注重实验与理论的紧密结合，既采用理论计算解释相应实验现象，又利用实验数据验证理论结果的正确性，还能在理论指导下预测特定实验结果。研究方向涉及生物制药医疗、光电材料器件、能源环境海洋等多个交叉领域。已发表Acc. Chem. Res.、Angew. Chem. Int. Ed.、J. Am. Chem. Soc.、Chem. Eng. J.等学术论文90篇，被SCI引用六千多次，有18篇引用超过百次，单篇最高引用843次。申请或授权国内发明专利20项。受邀撰写了激发态氢键研究的Accounts of Chemical Research评述论文，该论文被评为"中国百篇最具影响国际学术论文"。主编了一期激发态氢键研究主题的英国皇家化学会Physical Chemistry Chemical Physics主题专刊，并被编辑部选为"Editor’s Choice"。被John Wiley & Sons出版社邀请主编了一部激发态氢键研究领域的英文专著《Hydrogen Bonding and Transfer in the Excited State》。还被世界科学出版社邀请主编了英文专著《Hydrogen Bonding Research in Photochemistry, Photobiology, and Optoelectronic Materials》。研究工作获得国家优秀青年科学基金、面上项目等近十多项基金项目资助。研究成果曾获辽宁省科学技术一等奖、国家奖提名等。

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