近日，中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所復雜分子體系反應動(dòng)力學(xué)研究組研究員韓克利團隊在非鉛雙鈣鈦礦納米晶發(fā)光動(dòng)力學(xué)研究中取得新進(jìn)展。該團隊設計了一組具有直接帶隙的非鉛雙鈣鈦礦納米晶，其在紫光范圍內的發(fā)光量子產(chǎn)率接近于含鉛鈣鈦礦。相關(guān)研究結果以全文的形式發(fā)表在《美國化學(xué)會(huì )志》（J. Am. Chem. Soc.）上。
全無(wú)機鈣鈦礦納米晶CsPbX3（X：Cl，Br，I）具有發(fā)光量子產(chǎn)率高、光譜易調諧、發(fā)光線(xiàn)寬窄等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應用于發(fā)光二極管（LED）、高亮度激光、光電探測器等光電子器件的研究中。其優(yōu)異的光電性能主要源于其三維鈣鈦礦結構中獨特的電子軌道排布和直接帶隙的本質(zhì)。然而其中含有的Pb為有毒元素，會(huì )對人體和環(huán)境造成危害，限制了其進(jìn)一步商業(yè)化應用。因此，發(fā)展無(wú)毒且高性能的非鉛鈣鈦礦成為當下研究熱點(diǎn)。
該團隊分別于2017年和2018年成功合成出含Bi的非鉛鈣鈦礦納米晶Cs3Bi2Br9（Angew. Chem. Int. Ed. 2017）和非鉛雙鈣鈦礦納米晶Cs2AgBiBr6（Angew. Chem. Int. Ed. 2018），通過(guò)揭示其發(fā)光動(dòng)力學(xué)機理，發(fā)現非鉛鈣鈦礦間接帶隙是限制其發(fā)光效率的主要原因之一。因此，設計具有直接帶隙的非鉛鈣鈦礦是實(shí)現高效發(fā)光的關(guān)鍵。
該團隊研究人員合成了一系列雙鈣鈦礦納米晶：Cs2AgInxBi1-xCl6（0≤x≤1）。通過(guò)調節雙鈣鈦礦中In和Bi的比例可實(shí)現由間接帶隙（x<0.75）到直接帶隙（x≥0.75）的轉變。采用飛秒瞬態(tài)吸收光譜分別研究了具有間接帶隙及直接帶隙納米晶的激發(fā)態(tài)載流子動(dòng)力學(xué)，結果表明間接帶隙納米晶存在較為明顯的“亞帶隙態(tài)”(Sub-band gap)，能捕獲激子形成非輻射中心，因此發(fā)光效率低。而在直接帶隙納米晶中，并未探測到明顯的“亞帶隙態(tài)”，激子可以直接復合發(fā)光。通過(guò)調節表面活性劑來(lái)鈍化缺陷態(tài)，直接帶隙納米晶在紫光范圍的發(fā)光量子產(chǎn)率可達36.6%，接近于含鉛鈣鈦礦納米晶的性能。該研究為進(jìn)一步尋找高性能非鉛鈣鈦礦材料提供了新的思路。
上述工作得到國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項目等的資助。
