無鉛雙鈣钛礦Cs₂AgBiBr₆因具有無毒性、本征熱穩定性、高光吸收系數等優異性質，被認為是一種頗具應用潛力的新型光電功能材料；然而，這種材料也存在光吸收範圍窄，隻能對紫外與深藍光産生響應的劣勢，這大大限制了其在太陽能電池以及可見光、近紅外光探測器上的應用。

近日，beat365官方网站現代光學研究所、人工微結構和介觀物理國家重點實驗室曲波副教授、陳志堅教授和肖立新教授聯合研究團隊采用降溫結晶的方法合成了鐵摻雜的雙鈣钛礦Cs₂AgBiBr₆單晶，通過實驗發現了Fe（鐵）摻雜可以将Cs₂AgBiBr₆的光吸收範圍由橙光波段（⁓610 nm）拓寬至近紅外波段（⁓1350 nm）（圖1），這是目前國際上所報道的具有最寬光譜吸收範圍的無鉛鈣钛礦。

聯合研究團隊通過元素分析和X射線衍射實驗證明，隻有約1%的Fe離子被摻雜進Cs₂AgBiBr₆晶格之中，并因此引起了晶格收縮；利用三次諧波産生效應以及熒光光譜測量，發現Cs₂AgBiBr₆的禁帶寬度在Fe摻雜後并沒有發生變化，但在本征禁帶中出現了一條新的中間能級，從而使該材料具有了對近紅外光的吸收能力（圖1）；更為關鍵的是，通過光電導效應測試，證明了Fe摻雜的Cs₂AgBiBr₆單晶在近紅外光激發下，通過由中間能級參與的躍遷過程，同樣能産生數目可觀的光生載流子，這意味着該材料在中間帶太陽能電池、近紅外光電探測器等光電子器件方面具有廣闊的應用前景。上述研究工作提供了一種新的方法有效拓展了無鉛鈣钛礦的光電響應範圍，為進一步研發無鉛鈣钛礦的光電應用打下了基礎。

圖1 鐵摻雜前後的吸收光譜對比（内插圖為中間能級示意圖）

相關研究成果以“通過中間能級拓展Cs₂AgBiBr₆的光吸收至近紅外區域（≈1350 nm）”為題，2021年12月10日在線發表于《先進功能材料》（Advanced Functional Materials）；2020級博士研究生劉罡宏、2017級博士研究生張澤昊為共同第一作者，曲波、肖立新為共同通訊作者，其他合作者還包括beat365官方网站陳志堅、史俊傑、劉開輝等。

另外，無鉛雙鈣钛礦量子點具有寬譜發射的特性，适于制備白光二極管器件，但目前國際上相關研究多集中于光緻發光方面，電緻發光器件方面的研究很少。

曲波課題組針對這一重要科學問題，進行了深入而系統的研究：首先采用熱注入法合成了晶型規整、形貌均一的立方相雙鈣钛礦（Cs₂AgIn_0.9Bi_0.1Cl₆）量子點（圖2）；然後，通過密度泛函理論計算，揭示了Cs₂AgIn_0.9Bi_0.1Cl₆中吸收與複合的光物理過程，同時證明微量Bi（铋）摻雜可以打破直接帶隙的雙鈣钛礦中的躍遷禁阻，Cs₂AgIn_0.9Bi_0.1Cl₆量子點表現出紫-橙雙色寬譜發射，溫度依賴光緻發光光譜和瞬态吸收光譜證實了紫光發射來源于自由激子複合，而橙光發射來源于自限域激子複合；沉積成膜後，Cs₂AgIn_0.9Bi_0.1Cl₆ 量子點出現島狀團簇，開爾文探針力顯微鏡圖像表明量子點薄膜的表面接觸電勢差（CPD）約為71.2±5.4 mV，比基底的CPD高約45 mV，亮區與暗區的CPD差異則證明了量子點團簇構建了更高的電勢壁壘，阻止了載流子的擴散，更有利于激子的産生。曲波課題組首次制備出基于無鉛雙鈣钛礦量子點的電緻發光器件ITO/PVK/Cs₂AgIn_0.9Bi_0.1Cl₆ QDs/TPBi/LiF/Al（圖2），器件擁有接近标準白光的CIE色度坐标(0.32, 0.32)/6432 K，顯色指數高達94.5，同時顯現出優異的工作穩定性，在大氣環境下測得器件工作壽命（T₅₀）約為48.53 min。上述科研工作為今後無鉛鈣钛礦量子點電緻發光器件的進一步研究及其性能提升奠定了基礎。

相關研究成果以“無鉛雙鈣钛礦Cs₂AgIn_0.9Bi_0.1Cl₆量子點白光二極管”（Lead-free Double Perovskite Cs₂AgIn_0.9Bi_0.1Cl₆ Quantum Dots for White Light-Emitting Diodes）為題，2021年11月28日在線發表于《先進科學》（Advanced Science）。2017級博士研究生張雨晴為第一作者，曲波為通訊作者，其他合作者包括陳志堅、肖立新、史俊傑等。

圖2 無鉛雙鈣钛礦Cs₂AgIn_0.9Bi_0.1Cl₆量子點、能級結構及其白光二極管

上述系列研究工作得到國家自然科學基金等支持。

論文原文鍊接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202109891；  

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202102895