压力抑制非辐射复合，提升一维金属卤化物量子效率至90%

低维金属卤化物因其独特的电子结构和优异的光学特性而备受关注，其自限态激子（STE）发光效率高，覆盖光谱范围宽，有望作为单组元白光材料。为了实现这类材料的实际应用，需要我们进一步开发调控手段、深入理解其构效关系，从而提升发光效率。最近，北京高压科学研究中心的吕旭杰研究员、杨文革研究员和佛罗里达州立大学Ma Biwu教授等组成的国际合作团队研究发现，压力可以有效调控一维金属卤化物的STE能级实现非辐射复合的抑制，从而大幅提升其荧光量子效率（图1）。

图1. 压力抑制一维金属卤化物C₄N₂H₁₄PbBr₄中的非辐射复合，导致荧光量子效率提升。

照明用电占世界总电量消耗的五分之一，因此开发高效率的发光材料对解决能源问题有着重要意义。商用白光LED通常由几种不同颜色的发光材料组成，结构复杂，且不同组分的材料随时间衰减速度不同，导致光源颜色随时间变化。单组分、宽光谱的发光材料为解决这一问题提供了新思路。低维金属卤化物具有非常独特的光学性质，其自限态激子发光效率高，覆盖光谱宽，有望应用于单组分白光LED。这类材料晶格较软（杨氏模量低），电子-声子耦合强，微小的结构调整可能对光电性质产生巨大的影响。

北京高压科学研究中心、佛罗里达州立大学、阿贡国家实验室和橡树岭国家实验室的研究人员组成的国际合作团队对一种新型一维金属卤化物C₄N₂H₁₄PbBr₄进行了系统深入的研究。这一化合物由PbBr6八面体共边连接形成的双链构成，具有较好的宽光谱发光效率（常压下20%）。该团队利用高压同步辐射X射线衍射（XRD）、拉曼、吸收、稳态和时间分辨荧光等原位测试技术，对其结构、激子的辐射和非辐射复合等行为与发光效率之间的关系进行了研究。他们首次在千兆帕（GPa）压力尺度原位标定了样品的荧光量子效率。在压力调控下，C₄N₂H₁₄PbBr₄的发光强度先上升后下降，当压力达到2.8 GPa时，样品的荧光量子效率从初始的20%提升至90%。原位时间分辨光谱的分析结果表明（图2），在2.8 GPa下非辐射复合速率被抑制了33倍，这是荧光量子效率提升的主要原因，压力可以有效地调整自陷态的能级并增加激子束缚能，从而显著抑制了非辐射衰减。

图2. a, b) 不同压力下样品荧光随时间的衰减。c, d) 不同压力下激子的寿命及辐射、非辐射复合速率。

他们的研究表明，压力可以有效调控低维金属卤化物中的自限态激子行为，提升其发光效率，高压调控结合结构物性原位表征可以加深理解其构效关系，从而为探索优异性能的新材料提供新途径。

这一成果发表于近期的《美国化学会会志》（Journal of the American Chemical Society）上，王瑛琪博士为文章的第一作者，吕旭杰、杨文革、Ma Biwu为文章的共同通讯作者。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Reaching 90% Photoluminescence Quantum Yield in One-Dimensional Metal Halide C₄N₂H₁₄PbBr₄ by Pressure-Suppressed Nonradiative Loss

Yingqi Wang, Songhao Guo, Hui Luo, Chenkun Zhou, Haoran Lin, Xuedan Ma, Qingyang Hu, Mao-hua Du, Biwu Ma*, Wenge Yang*, Xujie Lü*

J. Am. Chem. Soc., 2020, DOI: 10.1021/jacs.0c07166

导师简介

吕旭杰，北京高压科学研究中心研究员，博士生导师。主要从事高压功能材料及其多维度调控研究。重点关注光电材料，包括金属卤化物材料，过渡金属氧化物和过渡金属硫族化合物等。采用先进的同步辐射和物性表征技术，原位观测材料在外部刺激下（包括压力、温度、磁场、激光、电磁辐射等），其结构和性质的变化，并深入理解其变化规律。另外，利用高压和高低温等极端条件探索常规方法无法获得的新材料和新结构，并通过纳米复合薄膜的设计生长在常压下实现新性能，寻求其在能源转换和存储方面的应用。近年来发表了包括Nature，J. Am. Chem. Soc.，Adv. Mater.，Angew. Chem. Int. Ed. 等在内的SCI论文70多篇，总引用超过4600次，H因子为36。

课题组网页：

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