高压下零维锑基卤化物Rb7Sb3Cl16和Rb7BiSb2Cl16的晶体结构与光学性质调控

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金属卤化物钙钛矿材料凭借出色的光电性质及组分和晶体结构的可调节性,在发光二极管、激光器和太阳能电池等领域具有广泛的应用。目前,铅基卤化物钙钛矿表现出最优异的器件性能,然而,重金属铅的毒性和不稳定性严重阻碍了它们的工业化进程和商业化价值。不同的是,锑基钙钛矿材料展现出高稳定性和低毒性,同时金属锑还具有与铅相似的电子结构、电负性和离子半径,从而使其成为铅基钙钛矿的潜在替代者。因此,精细地调控锑基金属卤化物钙钛矿的结构单元和光学性质和深入地揭示其结构-性质关系可以加深对这类材料的理解,为光电性质的进一步改善和新材料的设计提供科学指导。高压实验可大范围调控光电材料的晶体结构、电子结构和物理化学性质,为提升我们对材料结构-性质关系的理解提供了一个理想的研究方法。本文选择零维的锑基卤化物钙钛矿材料Rb7Sb3Cl16和Rb7BiSb2Cl16作为研究对象,利用原位高压荧光光谱、紫外-可见吸收光谱、同步辐射X射线衍射、拉曼光谱等测试手段,探究高压对其晶体结构和光学性质的调控作用。高压研究结果表明,Rb7Sb3Cl16的荧光光谱和吸收光谱表现出了显著的压力响应。在0-6GPa压力范围内,Rb7Sb3Cl16的荧光光谱逐渐地蓝移,伴随着荧光颜色从黄色转变为绿色。然而,高压下Rb7Sb3Cl16的吸收光谱表现出了持续的红移,吸收边从常压下的370nm红移到17 GPa时的440nm。这一现象说明,高压下荧光光谱的斯托克斯位移不断减小,暗示着电子-声子耦合强度的不断降低。通过同步辐射X射线衍射以及拉曼光谱实验,我们进一步确定了高压下Rb7Sb3Cl16晶体结构的演变趋势。高压下,晶格收缩减小了电子-声子耦合强度,进而提升了激子的自陷态能级,这促使部分自陷态激子吸收热能,跨越势垒返回到束缚激子态,从而导致了荧光颜色的转变和强度的减弱。Rb7Sb3Cl16的带隙窄化主要源于晶格收缩导致的金属与卤素之间的电子轨道耦合增加。通过掺杂金属铋离子引入杂质能级改变Rb7Sb3Cl16的电子结构,制备了具有相同晶体结构的Rb7BiSb2Cl16,并进行高压对比实验。高压实验结果表明,Rb7BiSb2Cl16的荧光峰位随着压力的增加不断蓝移,峰强逐渐降低并最终在4.5GPa时荧光淬灭。在原位高压可见-吸收光谱测试实验中,Rb7BiSb2Cl16的吸收边呈现出红移趋势,暗示着带隙的连续减小。高压下,Rb7BiSb2Cl16的光学性质演变与Rb7Sb3Cl16是一致的,这主要归因于Bi3+离子的引入对其高压下的结构演变影响较小。此外,Rb7BiSb2Cl16与Rb7Sb3Cl16的宽带发射都主要源于[Sb2Cl10]4-共边二聚体,以Bi3+离子为中心的多面体不能形成有效的辐射复合中心。本文探讨了压力对Rb7Sb3Cl16晶体结构与光学性质的调控作用,分析了Bi3+离子掺杂对高压调控作用的影响,为深入认识零维锑基卤化物钙钛矿的结构-性质关系提供了一定的科学依据。
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