CsPbBr3納米晶通過釹摻雜可實(shí)現(xiàn)從綠光到深藍(lán)光可調(diào)諧光電發(fā)射

膠體CsPbX3（X=Br、Cl和I）鈣鈦礦納米晶在整個(gè)可見光譜上表現(xiàn)出可調(diào)諧的帶隙，在綠色和紅色區(qū)域表現(xiàn)出較高的光致發(fā)光量子產(chǎn)率。但是，由于缺乏高效的藍(lán)光鈣鈦礦納米晶，限制了它們在光電應(yīng)用中的發(fā)展。

來自復(fù)旦大學(xué)張樹宇副教授團(tuán)隊(duì)最新研究表明，CsPbBr3納米晶通過釹摻雜可以實(shí)現(xiàn)從綠光到深藍(lán)光的可調(diào)諧光電發(fā)射，在中心波長在459 nm處的納米晶具有90%的量子產(chǎn)率。

自2015年第一次報(bào)告以來，全無機(jī)銫鉛鹵化物鈣鈦礦CsPbX3 （X=Br、Cl和I）納米晶（NCs）經(jīng)歷了快速發(fā)展。由于其高光致發(fā)光量子產(chǎn)率（PLQYs）和窄帶單峰發(fā)射剖面，組成和相關(guān)帶隙的靈活性以及材料合成過程簡單，在發(fā)光二極管、激光器、太陽能電池、和光電探測等領(lǐng)域具有很大的應(yīng)用潛力。特別是，NCs可以作為白色發(fā)光二極管（WLED）的顏色轉(zhuǎn)換熒光粉，并表現(xiàn)出廣泛的色域覆蓋。此外，光譜的藍(lán)色部分通常是從氯化物基鈣鈦礦NCs中獲得的，該NCs目前具有較低的穩(wěn)定性和相對較低的PLQY，從而限制了鈣鈦礦NCs在器件中的應(yīng)用。

解決這些挑戰(zhàn)的一個(gè)有效的解決方案是用B位摻雜劑完全或部分取代Pb2+離子。摻雜離子不僅降低了鉛的毒性，而且可以通過接近優(yōu)化的Goldschmidt公差因子來提高CsPbX3 NCs的熱穩(wěn)定性和相穩(wěn)定性。B位陽離子在決定鈣鈦礦的電子能帶結(jié)構(gòu)及其發(fā)射特性方面也起著至關(guān)重要的作用。最近的研究已經(jīng)證明了成功的B位摻雜采用堿土金屬離子、過渡金屬離子、類金屬離子和鑭系離子。雙發(fā)射是Mn2+、Yb3+、Er3+和Eu3+等摻雜物的另一個(gè)常見特征，它來源于鈣鈦礦主體到摻雜客體的能量轉(zhuǎn)移，但是，原始NCs的窄帶單峰發(fā)射不可避免地受到損害。

通過Sn2+，Cd2+，Zn2+或Al3+部分交換Pb2+可以成功地實(shí)現(xiàn)光致發(fā)光（PL）藍(lán)移，而沒有其他發(fā)射峰。但是上述藍(lán)光發(fā)射NCs的PLQY仍然不令人滿意。為了解決這一問題，通過將Nd3+引入到CsPbBr3 NCs中作為B位摻雜劑，合成了高效的藍(lán)色發(fā)射鈣鈦礦NCS。

圖1. a）CsPbBr3：xNd-3+ （x=7.2%） NCs和原始CsPbBr3NCs薄膜的XPS譜。高分辨率XPS光譜分別對應(yīng)于b）Nd3+ 3d，c）Pb2+4f和d）Br? 3d?？招膱A形符號表示原始數(shù)據(jù)，實(shí)心曲線表示相應(yīng)的擬合曲線。

圖2. Nd/（Nd+ Pb）摻雜比為a）x = 0，b）x = 2.7％，c）x = 3.5％，d）x = 6.0％，e）x = 7.0%，f）x = 7.2％的Nd3+摻雜的CsPbBr3NCs的TEM圖像，插圖中顯示了它們相應(yīng)的高分辨率透射電子顯微鏡（HRTEM）圖像。g）所有CsPbBr3：xNd3+樣品的XRD圖譜。h）CsPbBr3：xNd3+（x =7.2％）NC中的Cs，Pb，Nd和Br元素的HAADF-STEM圖像和元素映射，最后一幀顯示元素映射圖像的重疊。

圖3. a）具有不同Nd/（Nd+ Pb）摻雜比率的CsPbBr3:xNd3+ NC膠體溶液的歸一化PL和吸收光譜：PL發(fā)射（實(shí)線，在365nm處激發(fā)）和UV-可見吸收光譜（虛線）。插圖顯示了在紫外線激發(fā)下發(fā)光的CsPbBr3:xNd3+ NC膠體溶液的相應(yīng)圖像。b）隨著Nd摻雜比的增加帶隙變寬。

圖4. a）原始CsPbBr3的計(jì)算帶結(jié)構(gòu)。軌道特征顯示了Pb 6s，6p和Br 4p軌道。b）原始CsPbBr3的VBM和CBM的部分電荷密度。c）計(jì)算的CsPbBr3:xNd3+的能帶結(jié)構(gòu)（x =12.5％）。軌道特征顯示了Pb 6s，6p和Br 4p軌道以及Nd 5d軌道。d）Nd3+摻雜的CsPbBr3的VBM和CBM的部分電荷密度。

圖5. CsPbBr3:xNd3+NCs的溶液時(shí)間分辨光致發(fā)光衰減曲線。

圖6. a）WLED的發(fā)射光譜。插圖顯示了工作中的WLED的相關(guān)照片。b）與NTSC電視標(biāo)準(zhǔn)和Rec. 2020年標(biāo)準(zhǔn)相比，本工作中WLED的色域。白點(diǎn)顯示W(wǎng)LED設(shè)備的CIE顏色坐標(biāo)為（0.34，0.33）。

總的來說，通過便捷的室溫合成方法首次成功的將Nd3+成功取代了膠體CsPbBr3 NCs中的Pb2+。摻雜濃度可用于以受控方式將發(fā)射光譜從綠色調(diào)整為藍(lán)色。發(fā)出藍(lán)色的CsPbBr3:xNd3+（x = 7.2％）NCs的PLQY值為90％，光譜寬度為19 nm。使用第一性原理計(jì)算證明帶隙可調(diào)性主要由摻雜劑誘導(dǎo)的電子變化驅(qū)動，而PLQY的增加與摻雜劑誘導(dǎo)的電子變化驅(qū)動的激子結(jié)合能增加以及摻雜劑誘導(dǎo)的激子振動子強(qiáng)度提高有關(guān)。這種微觀上的理解為膠體CsPbX3 NC中的B部位組成工程開辟了新的可能性。