陈学元课题组：高效紫外发光CsPbCl3纳米晶研究获新进展

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全无机铅卤钙钛矿纳米晶由于其荧光量子产率高、合成工艺简单、吸收截面大和发射谱带窄等优异性能，在光伏和光电等领域具有广阔的应用前景。经过国内外科学家的不懈努力，全无机铅卤钙钛矿纳米晶的发光调控已有广泛报道，在材料合成、发光机理和应用等方面取得了一系列重要进展。目前，关于这类材料的研究主要局限于可见光区，而具有紫外发光的全无机铅卤钙钛矿纳米晶仍然未见报道。
       中科院功能纳米结构设计与组装/福建省纳米材料重点实验室陈学元团队在中科院战略性先导科技专项和科技部国家重点研发专项等项目支持下，近期提出了一个巧妙的策略，即通过分别调控CsPbCl3纳米晶的能带和表面结构，设计合成了高效紫外发光全无机钙钛矿纳米晶（图1）。

　    图1、基于能带和表面结构调控实现CsPbCl3纳米晶高效紫外发光示意图

　　图2、（a）CsPbCl3纳米晶和（b-e）不同Cd2+浓度掺杂CsPbCl3纳米晶的明场透射电镜照片。CsPbCl3纳米晶以及不同Cd2+浓度掺杂CsPbCl3纳米晶的（f）X射线衍射谱，（g）吸收光谱，（h）发射光谱，和（i）荧光衰减曲线。

　　首先，研究团队通过Cd2+掺杂，在不改变CsPbCl3纳米晶形貌和物相的基础上，对材料的能带进行了调控，将CsPbCl3纳米晶的带隙从可见波段调控到紫外光区域，发射峰位于381 nm（图2）。其次，通过CdCl2的表面钝化作用，可以将CsPbCl3:Cd2+纳米晶的荧光量子产率由0.9%显著提高至60.5%（图3）。同时，材料的光稳定性和热稳定性也得到了明显提升。进一步地，研究团队与结构化学国家重点实验室邓水全团队合作，基于飞秒瞬态吸收光谱分析和第一性原理计算，证实了显著改善的发光性能主要得益于消除了引起无辐射弛豫的表面缺陷（如氯离子空位）。该项工作为开发全无机铅卤钙钛矿纳米发光材料提供了一个新的思路，有助于加快新型紫外光电器件的发展。

　　图3、不同CdCl2浓度处理CsPbCl3:Cd2+纳米晶的（a）发射光谱和（b）荧光量子产率。（c）330-nm 氙灯激发下，基于CdCl2表面钝化前后CsPbCl3:Cd2+纳米晶的荧光量子产率随时间变化曲线。（d）85 °C加热下，基于CdCl2表面钝化前后CsPbCl3:Cd2+纳米晶的紫外发光强度随时间变化曲线。
　　相关结果以研究论文形式发表于《德国应用化学》杂志（Angew. Chem. Int. Ed. 2021, DOI: 10.1002/anie.202017370），并被选为热点论文，文章的第一作者是中国科学院大学博士研究生张云钦，通讯作者是涂大涛研究员，邓水全研究员和陈学元研究员。
　　此前，陈学元团队在全无机钙钛矿量子点的光学性能研究方面取得了一系列重要进展。例如，首次制备出Mn2+掺杂Cs4PbCl6零维钙钛矿纳米晶，并揭示了Mn2+在Cs4PbCl6零维钙钛矿纳米晶中显著不同于其在CsPbCl3三维钙钛矿量子点中的发光特点和激发态动力学（Adv. Sci. 2020, 7, 2002210）；提出一种基于稀土纳米晶的辐射能量传递上转换敏化新机制，首次实现CsPbX3钙钛矿量子点在低功率半导体激光器激发下的全光谱高效上转换发光和超长激子荧光寿命调控（Nat. Commun. 2018, 9, 3462）；建立一种基于CsPbX3钙钛矿量子点的余辉光转换新策略，实现窄带、宽色域（>130% NTSC）的全光谱高效长余辉发光调控（Angew. Chem. Int. Ed. 2019, 58, 6943-6947）。
　　文章链接：https://doi.org/10.1002/anie.202017370


       文章来源：福建物构所
       陈学元，男，籍贯福建建瓯，研究员，博士生导师。1993年毕业于中国科技大学材料科学与工程系，1998年获中科院福建物质结构研究所物理化学专业理学博士学位。2001-2005年在美国能源部阿贡国家实验室（Argonne National Laboratory）化学部从事博士后研究。2005年入选中国科学院"百人计划"回国工作。2013年获得国家杰出青年科学基金。入选国务院政府特殊津贴专家（2014），首批福建省科技创新领军人才（2014），科技部中青年科技创新领军人才（2014），国家“万人计划”科技创新领军人才（2016），福建省第五批引进高层次创业创新人才（2017）。近年来致力于发光材料电子结构与性能研究，在无机发光材料控制合成、电子结构、光学性能及应用取得重要进展，已在Nature Photonics, Nature Commun., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater.等刊物发表SCI论文140多篇，被他人引用六千多次，15篇论文入选近十年化学、材料和物理领域ESI高被引频次论文（top 1%）；出版《稀土纳米发光材料：从基础到生物应用》等Springer英文专著2部，专章6篇；申请国内外发明专利34项（授权19项）。系列研究成果分别入选年度 “中国光学重要成果” （2010，2011，2013，2014，2016）和 “中国稀土十大科技新闻”（2011，2014，2015，2016）。
        邓水全，1964年出生，毕业于四川大学。1986至1992年在中科院福建物构所硕博联读获博士学位。从1992到1995年先后任物构所助理/副研究员，课题组长。1995年9月到1996年4月在瑞士日内瓦大学做博士后。1996到1998年在德国马普固体科学所任客座科学家。从1998年起任该所二级研究员，Simon研究部理论组组长，2004年晋升为一级研究员。2007年起任辽宁科技大学荣誉教授，2013年至2014年任西南交通大学客座教授。2014年9月以百人计划方式引进物构所，任研究员、课题组组长。2015年8月入选福建省百人计划创新人才。研究领域为材料多尺度结构与性能的理论与模拟。