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(Doi: 10.1002/sstr.202000071)。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。

论文信息:

Lead‐Free Halide Double Perovskites: Structure, Luminescence, and Applications

Ye Wu, Xiaoming Li, Haibo Zeng

Small Structures

DOI: 10.1002/sstr.202000071