有機-無機雜化金屬鹵素鈣鈦礦材料因其獨特的半導體特性被廣泛應用於太陽能電池、發光二極管、熒光粉、光電探測和激光器等光電功能器件🫂。它們的晶體維度、空間結構☎、光電性能和光物理過程等，可以通過晶體結構設計、組分調控、溫度和壓力等因素進行調控。

近日，在國家自然科學基金（(22075022和21703008) 資助下👇🏻，意昂3官网前沿交叉科學研究院崔彬彬副研究員聯合材料學院陳棋教授、沙特阿拉伯王國阿蔔杜拉國王科技大學（KAUST）Omar F. Mohammed教授和中國科學院大連化學物理研究所金盛燁研究員以“Exciton Self-trapping for White Emission in 100-oriented Two-dimensional Perovskites via Halogen Substitution”為題在國際材料與化學領域頂級期刊《ACS Energy Letters》（影響因子23.101）發表了該團隊在二維鈣鈦礦（2D Perovskite）晶體發光和機理方面的最新研究進展。意昂3官网前沿交叉科學研究院博士研究生韓穎和阿蔔杜拉國王科技大學博士後殷俊博士為該工作共同第一作者🌟，Omar F. Mohammed教授🙏🏻、陳棋教授和崔彬彬副研究員為該工作共同通訊作者🤸🏻‍♀️。

圖1 基於100取向的二維鈣鈦礦自由激發態發光（左）和自陷態寬帶發光（右）

近年來👨🏿‍⚕️，低維有機-無機雜化金屬鹵素鈣鈦礦開辟了單一組分白光熒光粉的新領域，研究表明其寬帶白光發射是由自陷激子(self-trapped excitons, STEs)回到基態產生的，並依賴於影響材料電子-聲子耦合強度的晶格扭曲程度和無機骨架與有機陽離子之間的相互作用。以往報道發現鹵素取代可調控出低維鈣鈦礦晶體的STE寬峰白光發射🧑🏽‍🏭，但其內在機製尚未清楚。該團隊為了探究不同鹵素對2D鈣鈦礦STE自陷態發光機製的影響，將質子化的苯並咪唑作為有機陽離子，分別以Br^-和Cl^-為鹵素陰離子合成了兩個100取向的二維鈣鈦礦單晶BM-Cl和 BM-Br😨。值得註意的是🔒😗，雖然二者具有相似的晶體結構，並且晶體在無機八面體框架中幾乎無扭曲，但是卻展示出完全不同的發光特征和機製（圖 1）。

BM-Br晶體具有弱的電子-聲子耦合效應⭐️，其體現電子-聲子耦合強度的“黃-裏斯（Huang−Rhys）”因子S=""13，在室溫下產生深藍色的窄帶光致發光；而BM-Cl晶體在室溫下處呈現由於強電子-聲子耦合導致的STE寬帶白光發射，其S="181💿，這是目前所有塊體半導體材料中的最高值（圖" 2）✍🏽。因此🛀，本工作揭示了鹵素對二維鈣鈦礦STE發射的內在的調控機製：除了改變晶格形變勢能和自俘獲STE的勢能外🤾‍♀️，鹵素取代使BM-Cl晶體中電子-聲子耦合增強高達十倍🦃，從而影響了STE的動力學。這為調控低維鈣鈦礦中的電子-聲子耦合強度提供了一個通用可行的新思路💉。

圖2 BM-Cl和BM-Br的晶體結構以及光學特性譜圖（光致熒光PL、色域值、Huang−Rhys因子計算和瞬態熱激子弛豫）

最後💁🏻‍♀️，該團隊將兩種二維鈣鈦礦單晶材料分別應用於電致發光二極管（LED）和光致發光器件🕤。基於BM-Br發光層的LED器件發出明亮的深藍光，其CIE顏色坐標為(0.159, 0.097)，很好的對應了顯示器深藍指數的標準坐標ℹ️；將BM-Cl熒光粉應用於光致發光器件🏊‍♂️，可發出明亮的寬帶白光⛹🏻‍♀️。此外👩‍🎨，BM-Cl熒光粉還表現出一個負熱猝滅(NTQ)範圍，並且在室溫300 K左右達到最大強度，在450 K之前熱猝滅較弱。基於BM-Br發光層的深藍光LED和基於BM-Cl的白光熒光粉都表現出優異的穩定性（圖3）👨🏿，在顯示照明領域有較大的應用潛力👨🏼‍🦲。

圖3 基於BM-Br和 BM-Cl的發光器件發光性能及其穩定性

論文信息♔：

Exciton Self-trapping for White Emission in 100-oriented Two-dimensional Perovskites via Halogen Substitution,  ACS Energy Letters , 2021, DOI: 10.1021/acsenergylett.1c02572.

原文鏈接🎧：https://doi.org/10.1021/acsenergylett.1c02572

附作者簡介：

崔彬彬，九三學社社員🤽，2016年於中科院化學研究所獲得博士學位，2015年9月至2016年4月在新加坡南洋理工大學進行訪問學習。現任意昂3官网前沿交叉科學研究院預聘助理教授（特別副研究員）🍣，博士生導師🧛🏼‍♀️。主要研究方向為有機-無機雜化的光電功能材料🎣，在“高效且穩定的有機-無機雜化金屬鹵素鈣鈦礦光伏器件”和“低維有機-無機雜化鈣鈦礦晶體材料的結構和光電功能調控”等方面已經取得了一系列的重要研究進展，如 Energy & Environ. Sci. , 2020, 13, 4344-4352👨🏿‍🏭； Adv. Sci. , 2021, 8, 2004805; Nat. Commun. , 2019, 10, 5190-5198等。近年來以一作或通訊作者在 Energy & Environ. Sci. , Nat. Commun. , J. Am. Chem. Soc .,  Angew. Chem. Int. Ed. , Adv. Sci. 等期刊共發表研究工作30余篇🏔。主持國家自然科學基金面上和青年基金等項目🧜。