Advanced Functional Materials:面向白光LED与X射线闪烁体应用的高量子产率且光谱可调的无铅锰基卤化物的制备与研究

近年来Pb基卤化物钙钛矿材料在光电领域展现出巨大的应用潜力,尤其是在太阳能电池方面得到了广泛深入的研究。除此之外,其优异的发光性能,使得该类材料在荧光粉LED和X射线闪烁体领域也展现出潜在的应用,有望取代传统稀土掺杂荧光粉以及制备成本高昂的商用闪烁体。然而,Pb基钙钛矿材料的不稳定性及其毒性限制了此类材料的进一步发展。因此,发展环境稳定的、无铅的、高效发光的卤化物钙钛矿材料具有重要意义。目前已报道的大部分非铅卤化物钙钛矿发光材料只能被紫外LED芯片激发,器件光效不高,且需要与传统稀土掺杂荧光粉配合之后才能获得白光LED。如何通过有效的材料设计策略来制备具有高量子产率的非铅卤化物钙钛矿材料仍然是亟待解决的问题。

基于此,青岛科技大学居佃兴副教授、浙江大学杨旸教授、姜庭明博士等设计合成了基于金属锰的两种卤化物钙钛矿单晶材料C4H12NMnCl3,(C8H20N)2MnBr4,分别呈现出红光与绿光的发射。这是由于Mn2+在两种材料中具有不同的配位环境,导致Mn2+4T16A1跃迁发光峰分别位于625 nm与517 nm。此外,由于两种材料晶体结构的特异性使Mn2+发光的量子效率高达93.1% and 85.1%,且在紫外与蓝光区域均有较强的激发响应,在蓝光LED芯片激发的基础上,可直接复合得到白光。以此所获得白光LED器件,其光效高达96 lm/W,且连续工作3000小时光谱强度基本无衰减,表现出优异的稳定性。进一步通过调控C4H12NMnCl3与(C8H20N)2MnBr4的混合比例可以实现白光色温的有效调控以适应不同场景需要。此外,基于C4H12NMnCl3与(C8H20N)2MnBr4具有较大的斯托克斯位移和较高的荧光量子产率等优点,进一步将其应用于X射线闪烁体,并分别获得了50500和 24400 photons MeV-1的光产额。其最低探测极限低至36.9 and 24.2 nGyair s-1并展现出优异的耐辐射性,同时基于(C8H20N)2MnBr4制备的闪烁屏的X射线成像分辨率达到了5 lp/mm。

该工作为非铅卤化物钙钛矿材料在多重发光应用层面提供了新的思路。相关研究成果以“Highly Efficient and Tunable Emission of Lead‐Free Manganese Halides toward White Light‐Emitting Diode and X‐Ray Scintillation Applications”为题发表在国际期刊Advanced Functional Materials 上。