高壓科學(xué)研究團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)壓力可抑制自陷態(tài)激子的非輻射復(fù)合速率

低維金屬鹵化物作為一種新型的發(fā)光材料近年來受到了廣泛關(guān)注，其自陷態(tài)激子（STE）產(chǎn)生的寬帶發(fā)射有望應(yīng)用于單組分白光LED。盡管近些年人們已經(jīng)開發(fā)出多種低維鹵化物發(fā)光材料，但是要實現(xiàn)這類材料更好的實際應(yīng)用，需要對其結(jié)構(gòu)物性關(guān)系有更深入的認(rèn)識，從而進(jìn)一步優(yōu)化發(fā)光性能。

北京高壓科學(xué)研究中心的呂旭杰研究員和楊文革研究員領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊最新發(fā)現(xiàn)，壓力可以有效抑制自陷態(tài)激子的非輻射復(fù)合速率，從而在一維雜化金屬鹵化物中實現(xiàn)了90%的熒光量子效率（圖1）。該工作首次在吉帕高壓（GPa）尺度上實現(xiàn)了熒光量子產(chǎn)率的確定。相關(guān)成果以“Reaching 90% photoluminescence quantum yield in one-dimensional metal halide C4N2H14PbBr4 by pressure-suppressed non-radiative loss”為題，發(fā)表于近期的《美國化學(xué)會會志》（Journal of the American Chemical Society）上。佛羅里達(dá)州立大學(xué)、阿貢國家實驗室、橡樹嶺國家實驗室的研究人員合作參與了該工作。

圖 1. 壓力大幅抑制一維C4N2H14PbBr4的非輻射復(fù)合，實現(xiàn)90%的熒光量子效率。 “低維金屬鹵化物具有非常獨特的電子結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)，其自限態(tài)激子發(fā)光效率高，覆蓋光譜范圍寬，有望用于單組元白光LED。這類材料晶格較軟（楊氏模量低），電子-聲子耦合作用強，結(jié)構(gòu)的調(diào)整會對發(fā)光性質(zhì)產(chǎn)生巨大的影響” ?！巴ㄟ^壓力等外場調(diào)控改變其晶格、電子結(jié)構(gòu)，原位監(jiān)測其性質(zhì)的演變，有助于人們加深對這類材料結(jié)構(gòu)-物性關(guān)系的理解，并幫助篩選新型的高效發(fā)光材料”，呂旭杰研究員說到。 該團(tuán)隊選擇了一種一維金屬鹵化物C4N2H14PbBr4作為研究對象，這一化合物由PbBr6八面體共邊連接形成的雙鏈構(gòu)成（圖2），具有較好的寬光譜發(fā)光效率（常壓下PLQY為20%）。他們利用高壓同步輻射X射線衍射、拉曼、吸收、穩(wěn)態(tài)和時間分辨熒光等系列原位測試技術(shù)，結(jié)合理論計算對其結(jié)構(gòu)、激子的輻射和非輻射復(fù)合等行為與發(fā)光效率之間的關(guān)系進(jìn)行了系統(tǒng)而深入的研究并首次在吉帕高壓下實現(xiàn)了樣品熒光量子效率的標(biāo)定。 他們發(fā)現(xiàn)，高壓可以顯著提升發(fā)光效率：當(dāng)壓力達(dá)到2.8 GPa時，C4N2H14PbBr4的熒光量子效率從初始的20%提升至90%。原位時間分辨光譜分析表明（圖3），在2.8 GPa下輻射復(fù)合速率提升了18%，而非輻射復(fù)合速率被抑制了33倍。 “大幅抑制的非輻射損失是增強熒光量子效率的主要原因， 壓力可以有效地調(diào)整自陷態(tài)的能級并增加激子束縛能”，呂旭杰研究員解釋到?！案呓Y(jié)合能、更局域化的激子被散射的可能性降低，導(dǎo)致更大的斯托克斯位移和顯著抑制的非輻射衰減，另外，原位拉曼光譜顯示，在高壓下有機(jī)離子的運動被顯著抑制，進(jìn)一步降低了激子散射的幾率?！? “我們的研究表明，壓力可以有效調(diào)控低維金屬鹵化物中的自限態(tài)激子行為，提升其發(fā)光性能，結(jié)合原位表征可以加深人們對這類材料中結(jié)構(gòu)與物性關(guān)系的了解，從而為探索具有優(yōu)異性能的新材料提供指導(dǎo)和借鑒”，楊文革研究員說到。

圖 2. C4N2H14PbBr4的晶體結(jié)構(gòu)

圖 3. a, b) 不同壓力下樣品熒光隨時間的衰減。 c, d) 不同壓力下激子的壽命及輻射、非輻射復(fù)合速率

作者簡介：

呂旭杰，北京高壓科學(xué)研究中心研究員，博士生導(dǎo)師。主要從事高壓功能材料及其多維度調(diào)控研究。重點關(guān)注光電材料，包括金屬鹵化物材料，過渡金屬氧化物和過渡金屬硫族化合物等。采用先進(jìn)的同步輻射和物性表征技術(shù)，原位觀測材料在外部刺激下（包括壓力、溫度、磁場、激光、電磁輻射等），其結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的變化，并深入理解其變化規(guī)律。另外，利用高壓和高低溫等極端條件探索常規(guī)方法無法獲得的新材料和新結(jié)構(gòu)，并通過納米復(fù)合薄膜的設(shè)計生長在常壓下實現(xiàn)新性能，尋求其在能源轉(zhuǎn)換和存儲方面的應(yīng)用。近年來發(fā)表了包括Nature，J. Am. Chem. Soc.，Adv. Mater.，Angew. Chem. Int. Ed. 等在內(nèi)的SCI論文70多篇，總引用超過4600次，H因子為36。

原文標(biāo)題：高壓調(diào)控實現(xiàn)一維金屬鹵化物90%熒光量子效率

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