近日，大連化物所復雜分子體系反應動力學研究組（1101組）韓克利研究員團隊通過對非鉛鈣鈦礦膠體納米晶的自陷態(tài)激子進行調(diào)控，實現(xiàn)了寬譜帶白光發(fā)射，并有效地提高了發(fā)光量子產(chǎn)率。
高效穩(wěn)定的白光發(fā)射對于室內(nèi)照明具有重要意義。傳統(tǒng)的白光發(fā)射器件存在著諸如易變色、效率損失（自吸收）等缺點，而單基質(zhì)白光發(fā)射材料則可以避免上述缺點。不同于自由載流子復合所產(chǎn)生的帶邊發(fā)射熒光，自陷態(tài)激子發(fā)光表現(xiàn)出譜帶寬、斯托克斯位移大的特點。低維度鉛基鈣鈦礦材料由于晶格較“軟”，易于形成自陷態(tài)激子，表現(xiàn)出寬譜帶白光發(fā)射。然而鉛元素具有毒性，而且低維鉛基鈣鈦礦的發(fā)光效率通常較低。近期，有研究報道了具有自陷態(tài)激子發(fā)光的非鉛雙鈣鈦礦材料。但具有高效、寬譜帶白光發(fā)射的膠體納米晶卻鮮有報道。
Cs2AgIn0.9Bi0.1Cl6、K+/Ag+、Li+/Ag+合金雙鈣鈦礦納米晶的熒光圖及色坐標圖
近年來，韓克利研究員團隊致力于非鉛鈣鈦礦納米晶載流子動力學的研究。該團隊在2018年首次實現(xiàn)了非鉛雙鈣鈦礦納米晶由間接帶隙到直接帶隙的轉(zhuǎn)變（J. Am. Chem. Soc.）。為進一步研究帶隙類型對自陷態(tài)激子發(fā)光的影響，該團隊深入研究了兩種不同帶隙類型的非鉛鈣鈦礦納米晶Cs2AgBiCl6（間接帶隙）和Cs2AgIn0.99Bi0.1Cl6（直接帶隙）的自陷態(tài)激子動力學。研究結(jié)果表明，在間接帶隙納米晶中，光子的吸收與載流子的復合過程伴隨著強烈的電子-聲子耦合效應，自陷態(tài)激子主要以非輻射躍遷的方式復合，室溫下幾乎不發(fā)射熒光；而在直接帶隙鈣鈦礦中，電子-聲子耦合強度相對適中，自陷態(tài)激子主要通過輻射躍遷發(fā)生復合，因此直接帶隙納米晶表現(xiàn)出明亮的寬譜帶白光發(fā)射。
基于上述機制，該團隊進一步合成了具有直接帶隙的K+/Ag+、Li+/Ag+合金雙鈣鈦礦膠體納米晶。飛秒瞬態(tài)吸收光譜研究發(fā)現(xiàn)，K+/Ag+、Li+/Ag+合金雙鈣鈦礦膠體納米晶可以進一步抑制自陷態(tài)激子的非輻射躍遷復合，因此該膠體納米晶表現(xiàn)出更高的發(fā)光量子產(chǎn)率及更寬的發(fā)光光譜。此外，該團隊還利用該膠體納米晶材料，制備出具有白光發(fā)射的簡易LED器件。該工作加深了對非鉛鈣鈦礦自缺陷態(tài)激子動力學的理解，并對白光發(fā)射非鉛鈣鈦礦材料的設計與合成具有指導意義。
相關(guān)研究發(fā)表在《科學通報》（Science Bulletin）上。該工作得到了國家自然科學基金重點項目、國家重點研發(fā)計劃項目、科學挑戰(zhàn)計劃項目等資助。
