3D/2D 钙钛矿异质结构、聚合物磷光辐射发光材料新突破

       钙钛矿光电转化率达到20%以上，有望取代硅太阳能电池，成为新一代电池材料；有望取代硅基存储设备作为下一代存储芯片的理想材料；可用于制作新型存储器，冲破限制计算机行业发展的冯诺依曼瓶颈。

       金属卤化物钙钛矿是钙钛矿的典型代表，其光电特性不仅取决于其固有特性——如成分、尺寸、尺寸和表面化学，还可以通过异质结构的形成进行调节。结合三维（3D）和二维（2D）钙钛矿的异质结构在异质界面上具有理想的电荷和激子行为，最近引起了很多关注。

       通过初级纳米粒子/簇的定向聚集的晶体生长已在多种材料中发现，例如金属、金属氧化物、金属硫属元素化物和分子晶体。通过生长后自组装形成外延异质结构对于设计和制备结合成分独特性质的功能性混合系统非常重要，因为金属卤化物钙钛矿异质结构的常规溶液合成通常导致组成、晶相和尺寸的不均匀性。

       基于此，南京工业大学黄维院士、王琳教授、黄晓教授等证明了一系列不同成分和晶相的二维和三维钙钛矿可以在室温下通过配体辅助焊接工艺形成外延异质结构。以CsPbBr3/PEA2PbBr4异质结构为例，除了跨越外延界面的有效电荷和能量转移外，在界面处观察到局部晶格应变，该应变延伸到二维钙钛矿的顶层，导致低温下出现多个新的亚带隙发射。鉴于该策略的多功能性，预计会有无限的混合系统，产生与成分、界面和/或方向相关的特性。相关研究成果以题为“Room-temperature epitaxial welding of 3D and 2D perovskites”发表在最新一期《Nature Materials》上。

       无机钙钛矿框架控制表面上有机配体的二维晶格，这反过来又通过界面处的定向特异性分子相互作用帮助接近晶体的共取向。这是这种有机-无机杂化系统的独特特征，将其与纯有机或无机系统区分开来。本文证明：3D钙钛矿可以是基于铅或无铅的，而2D钙钛矿可以基于脂肪胺或芳香胺；该方法无疑会带来更多功能的混合系统。

       黄维课题组近期还制备出一种聚合物磷光闪烁材料。主要针对目前 X 射线闪烁体激子利用低、以及难以实现大面积制备等问题，开展了相关研究。

       闪烁体可分为无机闪烁体和有机闪烁体两大类。其中，无机闪烁体需要引入高原子序数的重金属元素，其制备工艺复杂、条件苛刻，且生产成本高。相比之下，有机闪烁体具有原料来源广泛、成本低廉、易加工修饰、可宏量制备等优点。

       目前已报道的有机闪烁体大多为荧光材料，只有约 25% 的激子得到利用，而大部分三重态激子通过非辐射跃迁被耗散掉，这导致材料中激子的利用率较低。由于有机室温磷光材料能同时利用单线态和三线态激子，实现近 100% 的激子利用率，进而获得高效发光。黄维课题组曾于 2021 年探索了有机室温磷光材料作为新型闪烁体的潜力 ，在国际上尚属首次。

       研究中，他们发现有机磷光闪烁体主要为晶体块状材料，在器件集成和加工性上存在内在缺陷，这限制了磷光闪烁体的应用。因此，实现高效、柔性和可大面积制备的有机磷光闪烁体，是该领域待攻克的难题之一。基于此，该团队进行了本次研究。

       近日，相关论文以《X 射线辐照共聚物有机磷光闪烁》（Organic phosphorescent scintillation from copolymers by X-ray irradiation）为题发表在 Nature Communications 上 。

       甘楠担任第一作者，除黄维本人担任共同通讯作者之外，另外两位通讯作者分别是来自南京工业大学先进材料研究院的安众福教授、以及西北工业大学柔性电子前沿科学中心的谷龙教授。

       对于该成果，审稿人认为其提供了一种普适性的有机磷光闪烁体的设计策略，简易灵活、且具有很好的通用性。通过该策略可获得多彩的辐射发光，为发展大面积和柔性 X 射线探测器提供了全新策略。