Advanced Materials:未来可期——通过空间扩展态实现上转换光致发光

光是信息的理想载体, 世界的发展,人类的进步都离不开光。近几年,钙钛矿材料由于其在光电方面展现出优异的性能被广泛用于在光伏,电致发光器件,激光和探测器的研究中。在钙钛矿材料高速发展的同时,二维钙钛矿材料由于相比于三维钙钛矿材料具有更好的稳定性,以及其特殊的Ruddlesden–Poper perovskite (RRP)结构给钙钛矿材料在光电方面的应用带来了更多的可能性,受到了科学家的广泛关注和深入研究。近两年,越来越多的研究报道表明二维钙钛矿单晶和薄片中存在上转换光致发光和放大自发辐射的光学特性。而上转换发光这一特殊的物理过程在光探测和生物医学等实际应用中有着至关重要的作用。因此,深入研究和认识二维钙钛矿材料中上转换发光的物理过程对于其在未来的应用和科研发展显得非常重要和关键。近一年,有不同的科研团队先后提出并证明在二维钙钛矿中存在“边缘态”。“边缘态” 是一个材料空间的概念,研究发现在二维钙钛矿材料的晶体结构边缘位置,具有比其他位置更强的光电特性,从而利于电子的传输和光的产生。这样一个概念的提出引发出了新的思考:是否在物理空间上也存在一个态,能够有助于实现在二维钙钛矿材料中的上转换发光?

近期,美国田纳西大学材料科学与工程学院胡斌教授(通讯作者)课题组的祝熙翔(第一作者, 博士研究生)发表最新科研成果:使用连续可调红外波长激光(980纳米)在溶液制备的二维钙钛矿薄膜中实现了双光子上转换光致发光(520纳米),同时发现物理空间上能带间隙态(“空间扩展态”)的存在。不同于目前广泛研究使用高能量脉冲激光激发二维钙钛矿实现上转换发光,他们通过在薄膜制备过程中使用反溶剂的方法,发现二维钙钛矿薄膜在红外波段存在光吸收,从而在低能量连续激光激发下实现上转换发光,也为空间扩展态的存在提供了证据。最让人兴奋的是通过使用磁场光致发光和线圆偏振极化光激发的光致发光两个可靠的自旋相关物理实验,对比下转换发光,使用连续红外激光激发二维钙钛矿薄膜上转换发光的光强度随着磁场和极化光的变化表现出更加明显的变化结果,这两个实验结果进一步证明了“空间扩展态”的存在。值得说明的是,在未使用反溶剂法的薄膜中“空间扩展态”不再存在,同时未能观测到上转换发光,表明对于二维钙钛矿材料特殊的RRP结构,晶体形成过程中的变化和形变与“空间扩展态”的形成有着重要联系。

研究者相信,“空间扩展态” 存在的发现,为在准二维钙钛矿薄膜中实现多光子上转换光致发光提供了新的实验依据和研究思路。此项研究将会为基于二维钙钛矿材料的光电研究打开一道未来之门。相关论文在线发表在Advanced Materials (DOI: 10.1002/adma.201901240)上。