零维无铅有机-无机杂化金属卤化物的发光性能研究

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有机-无机杂化金属卤化物已经成为光功能材料与器件研究领域的热点,其发光性能可通过设计不同的晶体维度、改变有机/无机组分,以及掺杂离子进行调控。鉴于Pb的毒性以及三维结构的不稳定性,使得三维Pb基传统钙钛矿材料的应用受到限制。因此,研究低维无铅金属卤化物发光材料的设计制备、光色调控和结构-物性关系,对于该类材料在固态照明及显示领域的拓展具有重要意义。本论文主要围绕几种新型零维无铅金属卤化物发光材料开展研究,包括:1)合成了两种新型有机-无机杂化In基卤化物(C7H8N3)3InX6·H2O(C7H8N3为2-氨基苯并咪唑,X=Cl、Br)。两种In基卤化物均为典型的零维结构,具有孤立的[InX6]3-八面体无机基元。在两种化合物中,观察到具有较大Stokes位移的宽带发射(氯化物发射中心在558 nm处,溴化物在595 nm处),这归因于[InX6]3-中的自陷激子发射。我们通过理论计算证明了最高占据的分子轨道主要源于有机阳离子的π轨道,这可能是(C7H8N3)3InX6·H2O具有间接带隙的原因。通过Sb掺杂,(C7H8N3)3InBr6H2O的量子效率由5%显著增加到52%,主要是由于Sb3+的1S0→3P1跃迁。2)合成了一种新的具有双无机单元的In基卤化物(C11H24N22)[InBr6][InBr4](C11H24N22为1-(环己基甲基)哌嗪),该化合物具有较大的光学带隙和优异的环境稳定性。在该化合物中进行了 Sb掺杂,并通过实验验证掺杂剂Sb在八面体[InBr6]3-中的优先占位。紫外激发下,在(C11H24N22)[InBr6][InBr4]中观察到红色发射,具有较大的Stokes位移和半峰宽,并且由于额外的光生激子,Sb掺杂后量子效率从8%显著增强到61%。理论计算表明,该体系中掺入Sb后,能带类型存在直接带隙到间接带隙的转变。3)合成了一种新的In基卤化物(C13H14N)2InCl5(C13H14N为N-甲基二苯胺),该化合物结构中独特的三角双锥体[InCl5]2-被有机阳离子包围。(C13H14)2InCl5显示出大的光学带隙,并表现出蓝色光致发光。实验和理论计算都表明,蓝色发射主要由无机[InCl5]2-单元贡献。值得注意的是,在[InCl5]2-三角双锥体单元中掺入Sb3+后,在540 nm和735 nm处诱发了新的双波段发射,导致(C13H14)2InCl5:xSb3+展现出可调谐的单组分白光发射。掺杂x=1%样品的白光发射表现出高量子效率46.26%及超高的显色指数96。4)合成了一种新的四面体Mn基卤化物(C7H8N3)2MnBr4,其显示出窄带绿色发射。(C7H8N3)2MnBr4在空气环境中会自发地转化为(C7H8N3)4MnBr6,后者具有[MnBr6]4-八面体配位结构并表现出红色发射。在结构中掺入极少量的Zn(5%)后,这种四面体到八面体的转变被强烈抑制,同时由于掺入浓度小,其发光强度仍然可以保持不变。这说明Zn掺杂是改善Mn基四面体绿光发射材料化学稳定性的有效策略。5)合成了两个具有绿色发射的Mn基溴化物(MDPA)2MnBr4(MDPA=N-甲基二苯胺)和(MTPP)2MnBr4(MTPP=甲基三苯基膦),通过实验发现(MTPP)2MnBr4 比(MDPA)2MnBr4显示出更窄的半峰宽。基于这两个Mn(Ⅱ)卤化物和其他报道的带有环状有机阳离子的Mn基溴化物,我们证明[MnBr4]2-单元和有机阳离子之间较小的氢键强度导致Mn-Br键在四面体中更小的畸变,并进一步导致更小的半峰宽。同时在这两个化合物中还观察到了力致发光行为。我们的工作揭示了 Mn基卤化物中氢键、结构参数和半峰宽之间的关系,这将有助于设计和合成新的窄带绿色发光材料,并应用于背光显示领域。
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