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华东理工实现高发光亮度、高稳定性的圆偏振钙钛矿发光 |
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近日，Matter正式刊发了华东理工大学化学与分子工程学院朱为宏教授、吴永真教授和物理学院郑致刚教授在圆偏振钙钛矿发光研究方面合作的研究成果“Circularly Polarized Perovskite Luminescence with Dissymmetry Factor up to 1.9 by Soft Helix Bilayer Device”。
该工作通过聚合物稳定钙钛矿并构筑具有双层结构的钙钛矿-液晶器件（PeLC），解决了钙钛矿与液晶的兼容性难题，提高了钙钛矿的发光效率与稳定性，同时保证了液晶分子的有序排列和动态可调谐性能，实现了具有高发光亮度、高稳定性的圆偏振钙钛矿发光，其不对称因子（glum）高达1.9，接近理论极限2.0，基于该器件结构展示了圆偏振光图案化显示及温控防伪应用，该工作为实现高质量圆偏振钙钛矿发光及其器件化应用开辟了新的思路。
该论文的第一作者为化学与分子工程学院博士生刘帅君和物理学院博士生刘璇。
圆偏振发光（CPL）是指发光体系发射出具有差异的左旋和右旋圆偏振光的现象，其在三维显示、生物传感、加密防伪、光催化不对称合成等领域具有广泛的应用前景。金属卤化物钙钛矿材料具有荧光量子效率高、发射峰窄、发射波长可调等优异特性，有望成为理想的CPL新材料。目前，已报道的钙钛矿CPL材料（如手性二维钙钛矿、手性配体修饰钙钛矿纳米晶等）存在不对称因子（glum值）小，发光效率低等问题，并且其稳定性很少被研究，严重限制了其实际应用。将钙钛矿纳米晶掺入手性向列相液晶能够显著提高CPL的glum值，但是该混合体系不仅会严重破坏钙钛矿的结构稳定性，还影响液晶分子的有序排列，减弱其对光的圆偏振调制能力。因此，如何获得具有高发光效率和高glum值的CPL仍然面临巨大挑战。
本文亮点
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钙钛矿-聚丙烯腈（PAN）薄膜的荧光量子效率（PLQY）可达97.5%，并能在水中稳定放置30天以上；
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构筑了PeLC双层结构器件，实现了高质量钙钛矿CPL，其glum值高达1.9；
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报道了多种基于器件的图案化工艺，展示了CPL随温度可逆变化的动态特性。
筛选聚合物基质提升钙钛矿发光效率与稳定性。相比传统配体修饰钙钛矿量子点，聚合物基质具有出色的限域效应和环境稳定性，可以显著提高钙钛矿纳米晶的发光性能和结构稳定性。作者通过对聚合物结构进行筛选，发现PAN对钙钛矿纳米晶的结晶过程起着至关重要的作用。基于该策略制备的钙钛矿薄膜的PLQY高达97.5 ± 1 %，并将其浸泡在水中30天仍能保持初始PLQY的93.3 %。研究表明，优异的发光和稳定性主要归结为聚合物的高度致密性、环境惰性及其侧链基团对钙钛矿纳米晶缺陷的有效钝化能力。
图1：MAPbBr3-PAN薄膜的制备和表征
双层结构器件实现高glum值、高发光效率的CPL。作者通过将钙钛矿-PAN薄膜与手性向列相液晶结合，构筑了PeLC双层结构器件。与将钙钛矿量子点和液晶直接混合的方法相比，这种双层结构的构建不仅保证了钙钛矿的高发光效率和稳定性，还可避免液晶光学微结构的有序性遭受破坏，从而完美地保留了液晶的光学和刺激响应特性。基于上述优势，PeLC器件可以实现非常明亮的CPL，其glum值高达1.9，逼近理论极限2.0，同时器件表现出超过半年的储存稳定性。
图2：PeLC双层器件与混合器件的构筑与表征
CPL波长调谐与器件图案化。由于钙钛矿具有波长可调的优势，作者通过调节钙钛矿卤素组分，成功实现了具有不同发射波长（红，绿，蓝）的钙钛矿CPL，glum值可达1.7-1.9；同时得益于钙钛矿和PAN的溶液可加工特性，作者还展示了一系列钙钛矿-PAN薄膜制备策略（如激光刻蚀，掩模版旋涂等），从而成功构筑了精细图案化的PeLC器件。基于上述特点，这种图案化彩色器件在CPL显示领域表现出巨大的应用潜力。
图3：图案化彩色PeLC双层器件的制备与展示
温控动态可逆CPL。得益于手性向列相液晶对温度的刺激性响应，PeLC器件的CPL信号还表现出随温度可逆变化的动态特性。结合上述图案化制备工艺，作者利用圆偏振片展示了一种二维码器件CPL随温度的变化情况，为如何直观地探测发光器件的圆偏振特性提供了新思路。值得一提的是，将该策略用于防伪领域，可以显著增强防伪信息的隐匿性，进一步提升了其在高端防伪方面的应用潜力。
图4：用于防伪应用的温度响应性可逆CPL
本文基于聚合物内嵌钙钛矿材料与手性向列相液晶，成功实现了具有高glum值、高发光效率和高稳定性的钙钛矿CPL。通过PAN稳定钙钛矿纳米晶，钙钛矿-PAN薄膜表现出97.5%的PLQY和超过30天的水中稳定性。并进一步将钙钛矿-PAN薄膜与手性向列相液晶结合，成功构筑PeLC双层器件，实现了明亮且稳定的CPL，其glum值高达1.9。此外，本文还报道了发射波长可调的图案化CPL，并通过调节温度实现对CPL信号的动态可逆调控。该研究工作对于如何同时提高钙钛矿材料和器件CPL的发光效率、glum值和稳定性具有重要的指导意义，并展示了钙钛矿材料在CPL领域的应用潜力。（来源：科学网）
相关论文信息：https://doi.org/10.1016/j.matt.2022.05.012
