【儀表網 儀表研發】近年來，無鉛金屬鹵化物雙鈣鈦礦Cs2Na(Ag)InCl6材料因組份易調控、合成簡便及毒性低等特性，而備受關注，在照明顯示、光電探測及光伏等領域表現出廣闊的應用潛力。目前，該材料的研究主要局限在可見光波段，近紅外(NIR)波段存在發光效率低的瓶頸，制約進一步的應用開發。
針對此問題，中國科學院福建物質結構研究所和閩都創新實驗室研究員陳學元課題組，通過在Cs2NaInCl6中引入稀土離子Yb3+和Er3+作為近紅外發光中心，實現高效近紅外發光(圖1)。
Cs2NaInCl6:Yb3+的最佳量子產率為39.4%，相比Cs2AgInCl6:Yb3+ 材料提升了142.2倍?？蒲袌F隊通過第一性原理計算和Bader電荷分析，對比研究了Cs2NaInCl6:Yb3+和Cs2AgInCl6:Yb3+兩種材料的局域電子結構(圖2)。Bader電荷分析是一種通過將材料的總電荷分解到原子電荷，得到原子周圍電子數，進而計算出原子化合價的方法。該方法應用于材料的電荷特性分析，判斷材料內電荷傳輸過程。研究表明，Cs2NaInCl6:Yb3+中Na+離子的強離子性使其幾乎完全電離，導致相鄰的[YbCl6]八面體電荷顯著局域化，促進了Cl--Yb3+的荷移躍遷。而Cs2AgInCl6:Yb3+中的Ag+由于強共價性形成Ag-Cl共價鍵，使相鄰的[YbCl6]八面體中Cl-的電子波函數向Ag+離域，導致Cl-與Yb3+波函數交疊減小，從而抑制了Cl--Yb3+荷移躍遷過程。
該研究利用溫度依賴的穩態和瞬態熒光光譜等手段，觀察到Cs2NaInCl6:Yb3+中Yb3+的激發峰相對于基質自限激子的激發峰存在明顯偏移(圖3)。在低溫下，Cs2NaInCl6:Yb3+通過紫外激發，在近紫外-可見光區觀察到兩個發射峰，波數差約為9766 cm-1，對應于荷移躍遷帶(CTB)→ 2F7/2和2F5/2躍遷。以上證據證實了在Cs2NaInCl6:Yb3+中的高效近紅外發射來源于其獨特的Cl--Yb3+荷移躍遷敏化過程。
科研團隊通過共摻其他近紅外發光離子如Er3+，實現了Cl--Yb3+荷移躍遷敏化的Er3+離子1540 nm處的近紅外發射(圖4)。相比于Cs2NaInCl6:Yb3+/Er3+中常規的自限激子敏化，其發射強度增強了1510.2倍，最佳量子產率為7.9%。
該研究為實現高效的稀土摻雜近紅外發光無鉛金屬鹵化物雙鈣鈦礦開辟了新途徑，有望應用于近紅外光通訊、發光二極管和夜視成像等領域。相關研究成果發表在《先進科學》(Advanced Science)上。研究工作得到中科院創新團隊國際合作伙伴計劃和國家自然科學基金等的支持。
圖1.Cs2NaInCl6:Ln3+ (Ln = Yb和Er)雙鈣鈦礦高效近紅外發光及發光機理示意圖。
圖2.(a)Cs2AgInCl6:Yb3+的Bader電荷分析，(b)電子局域密度和(c)結構示意圖；(d) Cs2NaInCl6:Yb3+的Bader電荷分析，(e)電子局域密度和(f)結構示意圖。
圖3.溫度依賴的Cs2NaInCl6基質的(a)激發光譜和(b)發射光譜；溫度依賴的Cs2NaInCl6:Yb3+的(c)激發光譜和(d)發射光譜；(e)10 K下，Cs2NaInCl6:Yb3+的發射光譜；(f)在Cs2NaInCl6材料中，Yb3+離子的電子躍遷示意圖。
圖4.不同濃度Yb3+和Er3+摻雜的Cs2NaInCl6 的(a)激發譜和(b)發射譜；Cs2NaInCl6:6.9%Yb3+/Er3+在不同Er3+摻雜濃度下，(c)Yb3+和Er3+的積分發射強度，以及(d)994 nm和(e)1540 nm發射處的熒光壽命；(f)Cs2NaInCl6:Yb3+/Er3+中的能量傳遞示意圖。
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