西南交大楊維清Chem. Mater.:構建梯度能級實現鈣鈦礦本征白光發射

背景介紹

全無機鈣鈦礦量子點具有優異的光學特性，使其成為最具潛力的新興顯示材料。而白光作為固態照明的重要光源有著廣泛的應用前景。在商業白光源中，使用一個或多個發光二極管涂覆一種或多種單色熒光粉從而實現組合白光發射，然而由于光在各層熒光粉之間傳遞會造成能量損耗，加上各層熒光粉降解速率不同，這往往會導致白光發射顏色會隨著時間而改變。因此，尋求一種高效的本征白光發射材料顯得尤為重要。在過去幾年里，有一些報道嘗試在全無機鈣鈦礦中摻雜Mn²⁺，由于其本征發射峰（⁴T₁-⁶A₁）在600nm附近，通過精確調節鈣鈦礦和Mn²⁺峰的相對強度來調控其對應色坐標值，就能實現本征白光發射。但由于鈣鈦礦與Mn²⁺之間較弱的激子能量轉移導致不得不摻雜大量的Mn²⁺才能實現白光發射，然而過量的Mn²⁺會導致白光量子產率降低，阻礙白光鈣鈦礦的進一步應用，因此提高激子能量轉移效率，是解決低的白光量子產率最有希望的手段。

成果簡介

近日，西南交通大學楊維清教授團隊通過在全無機鈣鈦礦（CsPbBr_2.2Cl_0.8）量子點中引入Mn²⁺和稀土元素銩（Tm³⁺）,通過Tm³⁺的¹G₄的能級來構建一個在鈣鈦礦和Mn²⁺之間的梯度能級。該梯度能級的構建促進激子從鈣鈦礦到Mn²⁺的轉移，從而實現在低的Mn²⁺摻雜濃度下，通過控制Tm³⁺的量來大范圍地對發光顏色調控（12400到1800K，綠到橙紅）。經過精確調節，最終獲得量子產率為54%，色坐標為（0.34，0.33）的本征純白光發。此外，基于此單組分白光熒光粉和紫光LED的白光發光器件的顯色指數高達91，非常接近太陽白光。該工作為研究高效的本征白光發射鈣鈦礦并應用于未來固態照明提供了新思路。該工作以題為“Constructing Gradient Energy Levels to Promote Exciton Energy Transfer for Photoluminescence Controllability of All-Inorganic Perovskites and Application in Single-Component WLEDs”發表在《Chemistry of Materials》上，碩士研究生駱超為第一作者，該項工作得到了國家自然科學基金、四川省科技廳國際合作項目以及中央高校基礎研究經費等項目的支持。

圖文導讀

圖一、梯度能級原理示意圖

圖二、基于此梯度能級實現發射峰調控

（a-h）基于此梯度能級的構建，即使Mn²⁺濃度固定在較低值，也可以通過控制Tm³⁺的量來實現對Mn²⁺峰強度的調控。

圖三、基于此梯度能級實現顏色調控

（a）隨著Mn²⁺峰強度變化對應色坐標及膠狀溶液在紫外燈下顏色的變化（b）摻雜原理及薄膜在紫外燈下的顏色變化（c）PL發光峰（d-e）梯度能級構建前后能級示意圖（f）只摻雜Tm3+發現沒有發射峰

圖四、穩定性提升

（a-c）溶液在大氣環境下光譜隨時間變化（d-f）將溶液密封至于80℃環境下熱穩定性表征

圖五、白光發射

（a-b）引入HBr進一步精確調節發光顏色和色坐標 （c）基于此白光鈣鈦礦量子點的臺燈 （d-e）基于此白光鈣鈦礦量子點的單個發光器件 （f-g）在可見光和紫外光下的白光熒光粉 （h）本征白光發射對應光譜和在紫外燈下的白光溶液

小結

本工作通過引入稀土元素Tm，在全無機鈣鈦礦量子點能級和Mn的能級之間構建了梯度能級，顯著地促進了體系內的激子能量轉移，實現了發光顏色的寬范圍調控。此外，獲得的本征白光發射的鈣鈦礦量子點具有高的量子產率，且該白光量子點還在應用于白光LED中表現出優異的性能。此工作為全無機鈣鈦礦量子點顏色調控及白光鈣鈦礦的設計提供了新的思路。

論文鏈接：

Constructing Gradient Energy Levels to Promote Exciton Energy Transfer for Photoluminescence Controllability of All-Inorganic Perovskites and Application in Single-Component WLEDs （Chem. Mater. 2019, 31, 5616?5624）

原文鏈接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.chemmater.9b01392

本文由西南交通大學楊維清教授團隊供稿。

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