离子掺杂实现卤化铅铯纳米晶高效紫光发射

　　无机钙钛矿纳米材料由于具有卓越的光电性能，成为极具应用潜力的新一代半导体材料。目前，CsPbBr3和CsPbI3纳米晶在绿光和红光区域的发光效率均可达到90%以上，但紫光区域发光的CsPbX3 (X=Cl或Cl/Br) 纳米晶发光效率低下，这表明了在此类纳米晶中存在大量的结构缺陷。针对这一难题，苏州大学材料与化学化工学部孙洪涛教授课题组提出了一种非光学活性离子掺杂提高无机钙钛矿纳米晶发光效率的策略，实现了紫光发光效率接近100%。通过详细的结构解析和理论计算，他们发现镍掺杂能够有效抑制结构缺陷并显著提高CsPbCl3纳米晶的短程有序性。相关研究成果发表在2018年7月16日的《Journal of the American Chemistry Society》上。 

　　该课题组发现掺杂非光学活性的镍离子可以使CsPbCl3纳米晶的发光效率接近100%。该结果首次提出通过非光学活性离子掺杂避免掺杂离子与CsPbCl3纳米晶间的能量传递，从而提高CsPbCl3纳米晶的带边发光效率。在研究其发光增强机理过程中， 北京同步辐射光源的科研人员给予本研究极大的支持。通过X射线吸收光谱对掺杂前后CsPbCl3纳米晶进行结构解析。XANES和EXAFS结果表明，Ni掺杂不影响Pb的价态，但可以有效增强CsPbCl3结构的短程有序性（图1）。结合密度泛函理论分析，他们提出了掺杂纳米晶发光效率增强的内在机理， 即未掺杂CsPbCl3纳米晶易形成深缺陷能级（如Cl空位），这些缺陷易捕获载流子，从而使发光效率低下；镍掺杂可以提高CsPbCl3缺陷形成能进而提升短程结构有序性，这一结构上的改变可以有效抑制非辐射跃迁，实现发光效率的显著提高。同时，该课题组发现，这种方法具有很好的普适性，可显著提高其他紫光发射钙钛矿纳米晶的发光效率。 

　　图1. 北京同步辐射装置（BSRF）测试获得Pb LIII边的 (a) XANES, (b) k3权重下得到的EXAFS谱图以及 (c) 相应的傅立叶转换谱图。数据表明镍掺杂后Pb的配位数增加即Cl空位得到抑制， 同时结果表明CsPbCl3结构的短程有序性增强。undoped和Ni-11.9%分别代表未掺杂样品和Ni掺杂浓度为11.9%的样品 

　　同步辐射光源帮助该课题组分析铅的局域配位结构，为合理确定CsPbCl3纳米晶发光增强机理提供了重要支持。该课题组组长苏州大学材料与化学化工学部孙洪涛教授这样描述他们的工作：“我们提出了一种普适性的策略来提高卤化铅铯纳米晶的发光效率，这将极大的促进其在紫光发射器件领域的应用，对于其发光机理的理解，同步辐射技术起到不可或缺的作用。” 

发表文章： 

　　Zi-Jun Yong,？ Shao-Qiang Guo,？ Ju-Ping Ma,？ Jun-Ying Zhang,？ Zhi-Yong Li, Ya-Meng Chen, Bin-Bin Zhang, Yang Zhou, Jie Shu, Jia-Li Gu, Li-Rong Zheng, Osman M. Bakr, and Hong-Tao Sun*, Doping-Enhanced Short-Range Order of Perovskite Nanocrystals for Near-Unity Violet Luminescence Quantum Yield. Journal of the American Chemistry Society, 140 (2018), 9942-9951.