香港浸会大学黄嘉良组联合中科大段昌奎团队 | Cs2NaBiCl6双钙钛矿基质的紫外、绿光、红光、近红外和红外发光特性机理研究

由于无毒、环保和光学性能优异等特性，非铅卤素双钙钛矿材料被用来作为太阳电池、白光发光二极管、锂电池电极的材料。其中，Cs₂NaBiCl₆铋基双钙钛矿材料更是受到了广泛的关注。然而，对于Cs₂NaBiCl₆基质的光谱特性却缺乏统一的认知。在过去的研究中，不同的团队曾分别报道过该材料的蓝光、红光、以及近红外发光特性，也有部分文章认为该材料在室温下不具有光致发光特性。因此，对该材料的光谱进行系统性的研究是很有必要的。

近日，香港浸会大学黄嘉良教授课题组和中国科学技术大学段昌奎教授团队合作，通过实验与第一性原理计算相结合的方法，系统研究了Cs₂NaBiCl₆荧光粉的光谱特性，并对紫外、绿光、红光、近红外和红外发光峰的发光机理进行了解释。作者采用第一性原理计算了Cs2NaBiCl6基质中主要存在的缺陷的形成能、光学激发和发射能，如表1所示。

在实验部分，作者采用了三种不同的合成方法制备Cs₂NaBiCl₆荧光粉，图1总结了该材料的光致发光谱带。在温度从10K到298K范围内，不同波长激发时，观测到了一系列紫外、绿光、红光、和近红外发射带。该文章认为上述所有的发光峰均来自于三价铋离子的激发。其中，紫外和绿光发射带分别是由于Bi³⁺离子占据[BiCl₆]^3-八面体中心以及受扰动的Bi³⁺离子所产生；激子的红光发射是由受激发的Bi³⁺离子对所引起；而位于近红外区域的发射带则是源于Bi³⁺离子占据十二配位的Cs⁺的格位。除了上述发射带外，作者还发现了一个由于色心产生的红外宽带发射，该红外发射带也可以在其他的稀土基双钙钛矿荧光粉中被检测到。

图1 (a)在10K温度下，不同波长激发的归一化发射光谱（蓝色：λ_ex = 330 nm；橙色：λ_ex = 270 nm；粉色：λ_ex = 355 nm；红色：λ_ex = 375 nm；褐色：λ_ex = 380 nm；灰色：λ_ex = 418 nm）。(b)在室温条件下，355 nm（红色）和300 nm（黑色）激发的发射光谱。

在270 nm的紫外光照射10分钟后，可以观测到一个发光中心位于380 nm和600 nm的宽带长余辉发射。将长余辉发射峰的热释光曲线进行拟合，其陷阱深度（约为0.18 eV）与空穴从V_Na^x 缺陷释放或电子从V_Cl'缺陷释放的能量相当。基于Cs₂NaBiCl₆荧光粉的多重发光特性，作者开发了该材料在静态和动态防伪领域的潜在应用。

图2 Cs₂NaBiCl₆荧光粉被270 nm紫外光辐照10分钟后，位于600 nm处的热释光谱(a)和余辉衰减曲线(b)；该材料在静态(c)和动态(d)防伪领域的潜在应用。

综上所述，该工作系统研究了Cs₂NaBiCl₆荧光粉在10K到298K温度范围内的光谱特性。结合第一性原理计算结果，解释了各个发射带的形成机理。利用其多重发光行为，开发了其在防伪领域的潜在应用。

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Understanding the ultraviolet, green, red, near infrared and infrared emission properties of bismuth halide double perovskite

Anjun Huang, Mingzhe Liu, Chang-Kui Duan, Ka-Leung Wong and Peter A. Tanner

Inorg. Chem. Front., 2022,9, 6379-6390

https://doi.org/10.1039/D2QI02053J

*文中图片皆来源上述文章

通讯作者简介

黄嘉良 教授

香港浸会大学 化学系

黄嘉良，香港浸会大学化学系教授，主要从事镧系金属的基础光化学、光谱学、生物成像、癌症诊疗等方面的研究。于2002年取得香港城市大学学士学位，2006年博士毕业于香港大学化学系，2007年在英国杜伦大学做博士后研究。自2009年起，任职于香港浸会大学，2017-2022年间担任香港浸会大学化学系系主任。2021年，获得香港浸会大学授予的“莫民雄博士化学教授”荣誉，并于同年擢升为讲席教授。曾荣获由欧洲稀土金属和锕系元素协会颁发的青年科学家奖（2015年：首位获得此荣誉的来自亚洲地区大学的学者）、国家教育部自然科学奖二等奖（2020年）。迄今已出版专著2本，在国际顶级权威学术期刊上发表文章超过170篇，包括Nature系列期刊，Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Sci., PNAS 和 JACS等 （H index =54, citation >7300），获得专利授权9项。

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