Advanced Science:稀土掺杂引发带隙展宽——发展高光效蓝光钙钛矿纳米晶

复旦大学信息科学与工程学院电光源研究所张树宇副研究员和合作团队在高光效蓝光钙钛矿纳米晶研究上取得重要进展:通过对配体辅助法原位合成的CsPbBr3纳米晶掺杂稀土钕离子,实现了高光效蓝光钙钛矿纳米晶,并基于第一性原理计算,阐明了带隙展宽和荧光量子产率提升的内在机理。相关结果发表在Advanced Science 上(Highly Efficient Blue-Emitting CsPbBr3 Perovskite Nanocrystals through Neodymium Doping,Advanced Science,DOI:10.1002/advs.202001698)。

全无机卤铅钙钛矿纳米晶材料因其单色性好、发光波长易调等一系列优异特性而备受瞩目,在诸如显示、激光、光伏、传感与成像等领域都展现出极大的应用前景。卤素组分调节是实现钙钛矿纳米晶发光波长调节的重要手段,但目前,蓝光钙钛矿纳米晶CsPbClxBr1-x因其晶格引起的深能级固有缺陷导致了材料本身的低荧光量子产率,限制了钙钛矿材料在器件中的进一步应用。

针对这一问题,该工作利用配体辅助法原位合成了钕离子掺杂的CsPbBr3纳米晶蓝光发射体系。区别于传统的卤素/尺寸效应调节钙钛矿荧光发射峰位置,该体系通过控制钕离子掺杂比例实现了绿光到深蓝光波段的荧光发射可调,在459nm蓝光发射峰位置得到了90%荧光量子产率和19nm半波宽的优异结果。不同于传统稀土掺杂引发的量子剪裁效应,在该工作中,钕离子对主体晶格中铅离子的部分替位掺杂打破了空间平移对称性,相对于较稳定的价带能级,导带能级发生的位移改变了带隙宽度,实现了荧光发射可调。研究表明,掺杂引发的电子变化是带隙展宽的主导因素,轨道自旋耦合与晶格结构变化则分别为造成发射光谱蓝移和红移的次要因素。与此同时,掺杂体系激子结合能的增加和晶格收缩对振子强度的增强是辐射复合速率提升的两个主要因素,辐射复合速率的提升进一步优化了该体系的荧光量子产率。该物理机制为钙钛矿纳米晶组分工程提供了新的思路,进一步拓宽了钙钛矿材料的应用前景。

论文第一作者是复旦大学博士研究生谢毓俊和剑桥大学博士研究生彭博,通讯作者是复旦大学张树宇和剑桥大学Bartomeu Monserrat,复旦大学为论文第一单位。该工作得到国家自然科学基金资助。

张树宇课题组主页:http://homepage.fudan.edu.cn/zhangshuyu