福建物构所揭示Cu+掺杂增强Cs2(Ag/Na)InCl6双钙钛矿自陷激子发光机制

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全无机非铅金属卤化物双钙钛矿因其独特的自限激子发光，在LED照明显示和光电探测等领域受到关注。然而，由于材料的间接带隙或直接带隙的宇称禁戒跃迁特性，这类双钙钛矿通常表现出较低的光致发光量子效率。离子掺杂是调控双钙钛材料光电性能的有效手段，但目前国内外对掺杂双钙钛矿的基础发光物理特别是自限激子的超快激发态动力学过程缺乏深入研究。

近日，中国科学院福建物质结构研究所研究员陈学元团队采用Cu⁺掺杂策略显著增强了Cs₂(Ag/Na)InCl₆双钙钛矿晶体的自陷激子发光。研究通过1.0 mol%的微量Cu⁺掺杂，将Cs₂(Ag/Na)InCl₆双钙钛矿自陷激子的发光量子产率从19.0%显著提高到62.6%，并且材料的激发峰从310nm红移到365nm（图1），能够更有效地被近紫外LED芯片激发。科研人员通过变温光谱和飞秒瞬态吸收光谱等手段，揭示发光增强的原因在于Cu⁺掺杂诱导材料的自限激子态密度和辐射复合速率（k_r）增大。研究发现，Cu⁺掺杂在增强材料发光的同时，荧光寿命从6.4μs缩短到3.9μs，表明自陷激子的辐射复合速率得到明显提升。瞬态吸收光谱表明，与未掺杂样品相比，1.0 mol% Cu⁺掺杂样品的光诱导吸收（PIA）信号明显增强（图2a、b），表明自陷激子态密度增加。PIA动力学曲线显示，Cu⁺掺杂将材料的PIA上升沿时间从500 fs缩短到300 fs（图2c、d）。PIA的超快上升时间与[AgCl₆]^5-八面体的姜–泰勒畸变密切相关，反映自陷激子的形成时间。因此，Cu⁺掺杂后晶体中自陷激子的形成时间缩短，有利于自陷激子的产生，从而引起自陷激子态密度的增加。研究还验证了该发光材料具有良好的空气、结构和热稳定性，并与商用BaMgAl₁₀O₇:Eu²⁺蓝粉封装研制出低色温（4060 K）的暖白光LED器件。