西南交大杨维清Chem. Mater.:构建梯度能级实现钙钛矿本征白光发射

背景介绍

全无机钙钛矿量子点具有优异的光学特性，使其成为最具潜力的新兴显示材料。而白光作为固态照明的重要光源有着广泛的应用前景。在商业白光源中，使用一个或多个发光二极管涂覆一种或多种单色荧光粉从而实现组合白光发射，然而由于光在各层荧光粉之间传递会造成能量损耗，加上各层荧光粉降解速率不同，这往往会导致白光发射颜色会随着时间而改变。因此，寻求一种高效的本征白光发射材料显得尤为重要。在过去几年里，有一些报道尝试在全无机钙钛矿中掺杂Mn²⁺，由于其本征发射峰（⁴T₁-⁶A₁）在600nm附近，通过精确调节钙钛矿和Mn²⁺峰的相对强度来调控其对应色坐标值，就能实现本征白光发射。但由于钙钛矿与Mn²⁺之间较弱的激子能量转移导致不得不掺杂大量的Mn²⁺才能实现白光发射，然而过量的Mn²⁺会导致白光量子产率降低，阻碍白光钙钛矿的进一步应用，因此提高激子能量转移效率，是解决低的白光量子产率最有希望的手段。

成果简介

近日，西南交通大学杨维清教授团队通过在全无机钙钛矿（CsPbBr_2.2Cl_0.8）量子点中引入Mn²⁺和稀土元素铥（Tm³⁺）,通过Tm³⁺的¹G₄的能级来构建一个在钙钛矿和Mn²⁺之间的梯度能级。该梯度能级的构建促进激子从钙钛矿到Mn²⁺的转移，从而实现在低的Mn²⁺掺杂浓度下，通过控制Tm³⁺的量来大范围地对发光颜色调控（12400到1800K，绿到橙红）。经过精确调节，最终获得量子产率为54%，色坐标为（0.34，0.33）的本征纯白光发。此外，基于此单组分白光荧光粉和紫光LED的白光发光器件的显色指数高达91，非常接近太阳白光。该工作为研究高效的本征白光发射钙钛矿并应用于未来固态照明提供了新思路。该工作以题为“Constructing Gradient Energy Levels to Promote Exciton Energy Transfer for Photoluminescence Controllability of All-Inorganic Perovskites and Application in Single-Component WLEDs”发表在《Chemistry of Materials》上，硕士研究生骆超为第一作者，该项工作得到了国家自然科学基金、四川省科技厅国际合作项目以及中央高校基础研究经费等项目的支持。

图文导读

图一、梯度能级原理示意图

图二、基于此梯度能级实现发射峰调控

（a-h）基于此梯度能级的构建，即使Mn²⁺浓度固定在较低值，也可以通过控制Tm³⁺的量来实现对Mn²⁺峰强度的调控。

图三、基于此梯度能级实现颜色调控

（a）随着Mn²⁺峰强度变化对应色坐标及胶状溶液在紫外灯下颜色的变化（b）掺杂原理及薄膜在紫外灯下的颜色变化（c）PL发光峰（d-e）梯度能级构建前后能级示意图（f）只掺杂Tm3+发现没有发射峰

图四、稳定性提升

（a-c）溶液在大气环境下光谱随时间变化（d-f）将溶液密封至于80℃环境下热稳定性表征

图五、白光发射

（a-b）引入HBr进一步精确调节发光颜色和色坐标 （c）基于此白光钙钛矿量子点的台灯 （d-e）基于此白光钙钛矿量子点的单个发光器件 （f-g）在可见光和紫外光下的白光荧光粉 （h）本征白光发射对应光谱和在紫外灯下的白光溶液

小结

本工作通过引入稀土元素Tm，在全无机钙钛矿量子点能级和Mn的能级之间构建了梯度能级，显著地促进了体系内的激子能量转移，实现了发光颜色的宽范围调控。此外，获得的本征白光发射的钙钛矿量子点具有高的量子产率，且该白光量子点还在应用于白光LED中表现出优异的性能。此工作为全无机钙钛矿量子点颜色调控及白光钙钛矿的设计提供了新的思路。

论文链接：

Constructing Gradient Energy Levels to Promote Exciton Energy Transfer for Photoluminescence Controllability of All-Inorganic Perovskites and Application in Single-Component WLEDs （Chem. Mater. 2019, 31, 5616−5624）

原文链接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.chemmater.9b01392

本文由西南交通大学杨维清教授团队供稿。

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