南京理工曾海波教授Small Structures: 无铅卤素双钙钛矿体系的组分调控、发光机制与光电应用

       卤素钙钛矿材料(HPs)具有光吸收系数大、缺陷容忍度高、色饱和度高、荧光量子产量高和荧光光谱全色域可调等优点，被认为是极具商业价值的新一代显示、照明材料。然而，HPs属于离子晶体，晶胞键能小，在水汽、光照、温度和电场的作用下容易失效分解，同时卤素钙钛矿中含有重金属铅，其生物毒性和环境污染也不可忽视。低稳定性和毒性等缺点限制了铅基HPs的实际应用前景。因此，如何优化HPs材料组分，替代有毒重金属，就显得尤为重要。同时，替位阳离子深刻影响无铅卤素双钙钛矿(HDPs)的能级结构和载流子辐射复合过程，合理的组分设计不仅能保持其原有的高效发光性能，甚至赋予HDPs一些铅基HPs不具备的新奇发光性能，拓展其应用场景。 

       基于此，南京理工大学材料科学与工程学院/格莱特研究院曾海波教授等从材料设计出发，总结了已有报道的HDPs组分工程、发光机制和X射线-可见光-近红外全光谱的高效发光成果，相关文章发表在Small Structures上。柔软的晶格框架和异价阳离子特性，赋予HDPs组分合金化、维度调控和稀土离子掺杂的极大包容性，丰富了卤素钙钛矿这一材料体系。本征的HDPs，如Cs2AgBiX6和Cs2AgInX6，其发光性能均明细逊色于铅基钙钛矿，这主要来自于HDPs中明显的宇称跃迁禁阻、强电声耦合、不理想的间接束缚激子自发转移和载流子缺陷俘获过程，抑制了激子辐射复合发光的途径。通过合理的组分和高压(~ GPa)调控，可以显著调控HDPs带隙，提高电子-空穴波函数交叠，钝化缺陷能级，促进辐射复合，提高自陷激子发光效率，其绝对量子产率(PL QY)在可见光范围可超过90%。更进一步地，探究HDPs载流子动力学过程，揭示自由激子-自陷激子-掺杂原子发光的多步发光机制，实现X射线-可见光-近红外全光谱可调谐的高效发光。接着总结了HDPs在量子点自组装、闪烁成像、单组分白光荧光粉、近红外LED等领域的潜在应用价值。最后，对HDPs的材料设计、载流子动力学过程、缺陷钝化和快速动态成像等领域进行了展望，以期能带给读者和研究者有价值的思考。