潘霜、王舜教授，CEJ：双基质封装的CsPbBr3复合材料实现圆偏振发光：同时具备较高的荧光量子产率、不对称因子以及优异的稳定性- 大数跨境

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潘霜、王舜教授，CEJ：双基质封装的CsPbBr3复合材料实现圆偏振发光：同时具备较高的荧光量子产率、不对称因子以及优异的稳定性

科学材料站

2024-02-23

导读：温州大学潘霜、王舜教授课题组，CEJ：双基质封装的CsPbBr3复合材料实现圆偏振发光：同时具备较高的荧光量子产率、不对称因子以及优异的稳定性

文章信息

双基质封装的CsPbBr₃复合材料具有增强的光致发光量子产率和稳定的圆偏振发光

第一作者：张鹏飞

通讯作者：王舜*，陈亦皇*，潘霜*

单位：温州大学

研究背景

金属卤化物钙钛矿材料已成为圆偏振发光（CPL）领域的研究热点。然而，在几个关键参数之间取得微妙的平衡，包括大的发光不对称因子（glum）、高光致发光量子产率（PLQY）和长期稳定性，已被证明是一项具有挑战性的努力。

文章简介

近日，来自温州大学的潘霜、王舜教授团队，在国际知名期刊Chemical Engineering Journal 上发表题为“Ultrastable Dual-Matrix meditated CsPbBr3 composites with enhanced photoluminescence quantum yield and robust circular polarization luminescence”的文章。本研究提出了利用手性向列介孔二氧化硅（CNMS）和无机Cs₄PbBr₆层双基质封装制备CPL活性无机纳米复合材料的前沿策略。使用独立的CNMS硬模板为全无机CsPbBr3钙钛矿纳米晶体（PNCs）提供了一个有限的生长环境，使非圆偏振发光转化为CPL。另外，无机Cs₄PbBr₆层的有效钝化，使该体系获得了优越的光学性能和稳定性。合成的CsPbBr₃/Cs₄PbBr₆@CNMS复合膜的品质因子（FM）值达到−7.8×10⁻²，超过了目前先进系统的性能。此外，表面钝化和双矩阵封装提供的保护，增强了复合材料在恶劣环境下的稳定性，具有稳健的性能。将该CPL材料成功地集成到圆偏振发光二极管器件中，证实了其在CPL显示器和发光器件中的适用性。为开发高性能CPL材料和应用建立了可靠有效的方法。

本文要点

要点一：双基质封装策略实现CPL

提出了一种构建CPL活性钙钛矿材料（即CsPbBr₃/Cs₄PbBr₆@CNMS）的双矩阵封装策略。在此过程中，将纤维素纳米晶体（CNCs）和硅前驱体四甲氧基硅烷（TMOS）结合作为原始材料，生成具有手性向列相的有序CNCs/SiO₂复合膜。经过高温煅烧后，CNCs被去除，形成了独立的CNMS薄膜。然后将CNMS膜浸入前体（即CsPbBr₃/Cs₄PbBr₆）溶液中，使前体有效地进入介孔。去除多余的前驱体溶液后，将薄膜加热以促进溶剂蒸发，以触发介孔内CsPbBr₃/Cs₄PbBr₆ PNCs的原位限域生长。

Fig. 1. a) The schematic representation illustration of the preparation of PNCs@CNMS composite film. SEM images of b) CNC/silica composite film and c) CNMS film. d) UV–Vis absorption and CD spectra of CNMS film. Inset: digital photograph of CNMS film under natural light.

Fig. 2. a) TEM, b) HRTEM and c) EDS elemental images of 6-CsPbBr₃/Cs₄PbBr₆@CNMS composite film. d) XRD patterns of pure CNMS film and 6-CsPbBr₃/Cs₄PbBr₆@CNMS composite film. e) Normalized PLE (monitored at 520 nm) and PL (excited by 365 nm) spectra of 6-CsPbBr₃/Cs₄PbBr₆@CNMS composite film. f) CPL spectra of 6-CsPbBr₃/Cs₄PbBr₆ QDs film and 6-CsPbBr₃/Cs₄PbBr₆@CNMS composite film. CPL spectra of 6-CsPbBr₃/Cs₄PbBr₆@CNMS composite film with g) different PBG and h) different concentrations of perovskite precursors and corresponding i) glum values.

要点二：优异的手性光学活性性能

CsPbBr₃/Cs₄PbBr₆@CNMS复合薄膜可以同时获得较高的glum值（-0.15）和PLQY（51.8%）。手性结构环境和由CNMS薄膜的PBG效应诱导的选择性反射在使复合薄膜中产生明显的CPL行为起关键作用。增强的PL强度，PLQY和PL寿命归因于晶格匹配良好的Cs₄PbBr₆对CsPbBr₃的表面钝化，以及来自Cs₄PbBr₆矩阵和CNMS模板的空间约束。这些因素在减少复合薄膜内的缺陷和有效抑制非辐射复合方面起着至关重要的作用。一方面，Cs₄PbBr₆和CNMS模板的存在共同为CsPbBr₃ PNCs的生长提供了物理限制，导致激子结合能的增强。另一方面，Cs4PbBr6也为CsPbBr₃提供了i型限制，从而限制了CsPbBr₃区域的载流子，降低了电子泄漏的概率，有效抑制了非辐射复合行为的发生。

Fig. 3. a) Digital photographs under 365 nm UV light, b) UV–Vis absorption, c) PL, d) PLE, e) PLQYs, f) time-resolved PL decay curves, g) CPL spectra, h) glum values and i) FM values of the CsPbBr₃/Cs₄PbBr₆@CNMS composite film with the PbBr2/CsBr molar ratios of 1:1, 1:2, 1:4, 1:6, and 1:7, respectively. j) Comparison of FM values of various advanced CPL-active materials reported in the literature in recent years. For detailed and specific relevant values, please refer to Table S3.

要点三：优异的光、热、水稳定性

在Cs₄PbBr₆矩阵和CNMS模板的双基质封装保护下，CsPbBr₃/Cs₄PbBr₆@CNMS复合薄膜具备优异的光、热、水稳定性。我们强调Cs₄PbBr₆矩阵和CNMS模板在实现CsPbBr₃/Cs₄PbBr₆@CNMS复合薄膜稳定的CPL过程中的作用是缺一不可的。这些发现为这些复合薄膜在广泛的应用中的使用提供了令人兴奋的机会，这些应用要求材料能够承受不利的环境条件，而不影响其功能和光致发光特性。

Fig. 4. Pseudo-color maps of temperature-dependent PL spectra of a) CsPbBr₃/Cs₄PbBr₆@CNMS composite film, b) CsPbBr₃@CNMS composite film and c) CsPbBr3 QDs during a heating–cooling cycle. Temperature-dependent PL intensity of d) CsPbBr₃/Cs₄PbBr₆@CNMS composite film, e) CsPbBr₃@CNMS composite film and f) CsPbBr₃ QDs during a heating–cooling cycle, respectively. g) PL intensity and peak positions of CsPbBr₃/Cs₄PbBr₆@CNMS composite film after undergoing eight heating–cooling cycles from 30 to 200 ◦C. (h) PL intensity of CsPbBr₃/Cs₄PbBr₆@CNMS composite film, CsPbBr₃@CNMS composite film and CsPbBr₃ QDs during continuous irradiation with a 365 nm UV lamp at 15 W for 24 h. i) PL intensity of CsPbBr₃/Cs₄PbBr₆@CNMS composite film, CsPbBr₃@CNMS composite film and CsPbBr₃ QDs after storage in a high humidity ambient condition (HH 70±5 %, and HT 25 ◦C) for 60 days.

要点四：CsPbBr₃/Cs₄PbBr₆@CNMS复合薄膜基CP-LED器件

结果表明，CsPbBr₃/Cs₄PbBr₆@CNMS复合薄膜表现出优异的光学性能、优异的圆偏振响应性和优越的稳定性，强烈证实了其在下一代显示和照明材料中的应用潜力。为了利用这些有希望的特性，一个370 nm发射的商业芯片作为泵源，与CsPbBr₃/Cs₄PbBr₆@CNMS复合薄膜集成，创建了一个典型的CP-LED器件。搭建了一个专用的偏振光检测平台，检测CP-LED器件发射光的CPL信号，结果表明其偏振度为0.2。

Fig. 5. a) Photographs of 6-CsPbBr₃/Cs₄PbBr₆@CNMS composite film-based CP-LED device. b) Schematic diagram of the device for detecting the intensity of different components of CPL. c) CIE color coordinates, d) PL spectrum, and e) R-CPL and L-CPL selectivity of the 6-CsPbBr₃/Cs₄PbBr₆@CNMS composite film-based CP-LED.

文章链接

“Ultrastable Dual-Matrix meditated CsPbBr₃ composites with enhanced photoluminescence quantum yield and robust circular polarization luminescence”

https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.148306

通讯作者简介

王舜教授简介：二级教授，博士生导师，国务院政府特殊津贴获得者，现为温州大学副校长、化学一级学科博士点带头人、Carbon Energy创刊主编。入选英国皇家化学会会士、国家百千万人才工程、国家有突出贡献中青年专家、浙江省万人计划创新领军人才等。长期致力于碳基电化学能源材料的设计合成、能量转化与存储机理及应用探索工作，相关发表包括Nature Sustainability(1篇), Nature Communications(3篇), Chemical Society Review(1篇), JACS(5篇), Angew. Chem. Int. Ed.(11篇), Advanced Materials(3篇)等高质量学术论文180余篇。拥有美国授权发明专利2项、中国发明专利70多项。多次组织和担任国际学术会议大会主席、副主席，获评国际电动车锂电池协会(IALB)“杰出研究奖”、教育部自然科学奖二等奖、浙江省科学技术奖一等奖、二等奖，浙江省担当作为好干部、浙江省优秀教师、温州市杰出人才等荣誉。

陈亦皇教授简介：材料学博士，教授，温州大学新材料与产业技术研究院副院长。入选浙江省青年托举人才（2023）、温州市“瓯越英才”高层次人才计划（2022）、温州市级领军人才（2022）、英国皇家学会RSC新锐科学家（2021）。发展了精准合成拓扑聚合物/无机纳米晶功能复合材料的普适策略，系统研究了基于聚合物、无机纳米晶及其表界面的构效关系，并探索在能量转换与存储、柔性电子器件等领域的应用前景，阐明表界面结构、外场作用及运行工况对电极催化及电池器件的协同增效机制。近五年在J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.、Adv. Mater.、Nat. Commun.等国际期刊发表论文50余篇，合著英文书籍（CRC press）一部，主持国家、省、市科研项目及重点实验室开放课题等10余项。今年硕士毕业生人均至少一篇一区SCI论文（如AM、AFM等），其中有去上市公司（如中广核俊尔新材料）工作或去985高校（如中南大学）读博深造。

课题组招聘

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