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2024-6-3 9:18
华南先进光电子研究院吴波课题组在纳米光学顶刊《Nano Letters》上发表重要研究成果
来源:华南先进光电子研究院|作者:华南先进光电子研究院|编辑:卢嘉裕

零维金属卤化物因其结构多样性、强量子限域效应和优异的光致发光性能而受到广泛关注。波长可调且可逆的零维金属卤化物发光在防伪、信息加密和人工智能等领域具有巨大的应用潜力。然而目前这方面的研究聚焦于引入或去除晶格里的溶剂分子驱动结构畸变导致发光颜色变化。该方法操作复杂,受环境等因素影响较大,不利于防伪等实际应用。而利用其它手段调控零维金属卤化物发光很少被探索,并且其发光调控机制仍不明朗。

华南先进光电子研究院周国富教授团队吴波课题组联合龙明珠课题组以及国家纳米科学中心刘新风研究员团队,合成了具有超大畸变指数的零维(TBA)Sb2Cl7 (TBSC)。该金属卤化物在无需溶剂分子的介入下通过简单的热处理可实现可逆宽发光谱 (585 nm – 650 nm)调控。随着热处理温度的升高,光致发光量子产率从1.08%增加到20.66%,同时带宽变窄、斯托克斯位移增加。

零维金属卤化物的发光源自于其自陷激子辐射复合。研究发现,TBSC发光调控的核心在其经过不同温度热处理后,其结构的无序化不同。该无序性能够在温度冷却之后保持几十分钟到几个小时之间。在170°C加热过程中,晶体完全融化,冷却后完全变成玻璃相。玻璃化的TBSC具有更大的自陷激子结合能和黄-里斯因子。通过瞬态吸收光谱,研究人员对比了晶态和玻璃化TBSC的自陷激子激发态光谱特征。可以发现,晶态的TBSC具有超宽的自陷激子吸收光谱,在<950 nm处无明显峰。然而,玻璃化的TBSC在700 nm附近显示出较窄和更强的自陷激子吸收光谱。这表明,尽管加热处理造成了结构长程周期性破坏,但无序结构中的自陷激子比有序结构中的自陷激子的能量分布更窄。其原因可归结为两点 (1) 玻璃化的TBSC中具有更高的结合能和更强电子-声子耦合,其自陷激子在一定程度上不受缺陷、声子和其他光激发态散射的影响,且不易被缺陷态捕获;(2) 虽然玻璃化的TBSC失去了晶格周期性,但玻璃相的TBSC可看成分散的共面锑二聚体量子点,其表面覆盖了一层TBA+配体分子。这些分子之间间距增大,相互作用减小,能够保持完全舒展的状态,故而造成了自陷激子能量分布区间变窄。

需要强调的是TBSC具有迄今为止在金属卤化物中发现的最大畸变指数,因此在无需溶剂分子的介入下发光波长调谐范围达到65 nm。此外,由于TBA分子具有一定的玻璃记忆功能,热处理冷却后的TBSC发光态不会立马回到未处理的状态,因此它存在多个跟处理温度相关的无序亚稳态,使得它可应用于多重防伪。通过丝网印刷等方法,研究人员成功展示了颜色可调的发光图案与二维防伪码等。

该研究对于基于零维金属卤化物的新型荧光多重防伪材料设计与应用开发具有重要意义。相关成果以Glass Disorder Modulated Luminescence in Zero-Dimensional Antimony-Chloride Coplanar Dimers for Optical Anti-counterfeiting为题发表在Nano Letters期刊上(IF=11.24),华南师范大学为论文第一贡献单位。华南师范大学在读博士生胡启川与孟威威特聘副研究员为本文的共同第一作者;吴波、龙明珠及刘新风为本文的共同通讯作者。上述研究工作获得了广东省杰出青年基金、国家自然科学基金、广东省光信息材料与技术重点实验室、教育部光信息国际合作联合实验室等项目支持。

论文链接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.4c01071

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