这篇文章是由Yuan Wang、Mu-Sen Song、Jiaqi Zhao、Zhen Li、Tinglei Wang、Hai Wang、Hai-Yu Wang和Yu Wang共同撰写的，发表在《ACS Nano》期刊上。研究团队通过将二维手性钙钛矿((R-/S-MBA)2PbI4)与CsPbBr3量子点(QDs)结合，合成了手性钙钛矿异质结构薄膜。这些异质结构薄膜表现出明显的圆偏振发光(CPL)特性，而纯的二维手性钙钛矿本身并不表现出光致发光。研究表明，量子点激发态的手性来源于二维手性钙钛矿。通过圆偏振分辨的瞬态吸收(TA)光谱进一步证实，异质结构薄膜的CPL响应源于手性钙钛矿层与量子点层之间的能量转移以及自旋驰豫的抑制，这导致了量子点层激发态自旋种群的不平衡。此外，通过改变手性钙钛矿层的厚度和组成，可以调控这些异质结构薄膜的光致发光(PL)、圆二色性(CD)和CPL光谱，表明通过阴离子交换可以调节化学组成和光电特性，减少量子点层内的应变，降低辐射复合寿命。这项工作为合成具有强CPL响应的手性钙钛矿提供了指导，并进一步为理解CPL的起源提供了洞见。
本文要点
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研究人员成功合成了由二维手性钙钛矿((R-/S-MBA)2PbI4)和CsPbBr3量子点(QDs)组成的手性钙钛矿异质结构薄膜。这些薄膜不仅展示了强烈的圆二色性(CD)信号，还表现出明显的圆偏振发光(CPL)特性，这是通过调控异质结构中的能量转移和自旋极化实现的。
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通过改变手性钙钛矿层的厚度和组成，研究人员能够调控异质结构薄膜的光致发光(PL)、圆二色性(CD)和圆偏振发光(CPL)光谱。这种调控能力是通过阴离子交换实现的，它可以改变薄膜的化学组成和光电特性，减少量子点层内的应变，并降低辐射复合寿命，从而为设计和优化手性钙钛矿基光电器件提供了新的方法。
研究背景
手性钙钛矿因其结合了钙钛矿的光电特性与独特的手性特征而备受关注，展现出在圆偏振发光(CPL)、非线性光学、手性诱导的自旋选择性(CISS)等领域的巨大潜力。特别是在二维手性钙钛矿中，除了表现出自旋极化、Rashba-Dresselhaus自旋-轨道耦合等引人入胜的自旋特性外，还因其低成本的溶液加工性而在铁电和自旋电子学领域展现出广泛的应用前景。然而，尽管二维手性钙钛矿薄膜展现出强烈的圆二色性(CD)信号，它们并未显示出明显的圆偏振发光(CPL)活性或光致发光(PL)性能，这主要归因于非辐射复合过程，极大地限制了它们在光电领域的进一步应用。因此，制备具有强CPL响应的二维手性钙钛矿是一个挑战。
近期，通过将二维手性钙钛矿与其他发光结构结合，如核壳结构和量子点复合材料，研究者们已经能够赋予二维手性钙钛矿CPL活性和PL性能，但手性转移的过程和CPL响应的起源尚不清晰。本研究正是在这一背景下，通过将二维手性钙钛矿(R-/S-MBA)2PbI4与CsPbBr3量子点结合，制备出手性钙钛矿异质结构薄膜，旨在探索异质结构中的能量转移机制、自旋极化效应以及CPL的起源，进而为设计具有强CPL响应的手性钙钛矿材料提供新的策略和深入的物理理解。
研究内容
图1：(a) 异质结构薄膜的制备过程示意图 (b) S膜的扫描电子显微镜(SEM)图像 (c) S/QDs膜的扫描电子显微镜(SEM)图像
图2：(a) S/QDs膜、S膜和CsPbBr3 QDs的X射线衍射(XRD)图谱 (b) S/QDs膜、S膜和CsPbBr3 QDs的X射线光电子能谱(XPS)全谱扫描 (c) S/QDs膜、S膜和CsPbBr3 QDs的紫外-可见吸收光谱 (d) S/QDs膜、S膜和CsPbBr3 QDs的光致发光(PL)光谱
图3：(a) R/QDs膜和S/QDs膜的圆二色性(CD)光谱及相关的gabs值 (b) R/QDs膜和S/QDs膜的圆偏振发光(CPL)光谱及相关的glum值 (c) 50 wt% R/QDs膜和S/QDs膜的CPL光谱及相关的glum值
图4：(a) 50 K下S/QDs膜的相同圆偏振(SCP) TA图谱 (b) 50 K下S/QDs膜的相反圆偏振(OCP) TA图谱 (c) 50 K下S/QDs膜在选定延迟时间(0.3, 0.4, 0.5, 0.6, 和 1 ps)的SCP TA光谱 (d) 50 K下S/QDs膜在选定延迟时间(0.3, 0.4, 0.5, 0.6, 和 1 ps)的OCP TA光谱 (e) 50 K下S/QDs膜在0−5 ps内503.1 nm和546.1 nm处的归一化SCP TA GSB信号动力学 (f) 50 K下S/QDs膜在0−5 ps内503.1 nm和546.1 nm处的归一化OCP TA GSB信号动力学
图5：在50 K下，S/QDs膜在不同泵浦-探测时间延迟下，不同波长激发下的SCP和OCP TA光谱演化：(a-c) 542 nm和 (d-f) 498 nm激发下的光谱 (g) 498 nm和 (h) 542 nm激发下S/QDs膜的SCP和OCP TA GSB信号动力学，以及净自旋弛豫动力学 (i) 在498 nm和542 nm激发下，50 K下S/QDs膜的归一化净自旋弛豫动力学拟合指数衰减
图6：13, 30, 50, 和 66.7 wt% R/QDs膜和S/QDs膜的CPL光谱及相关的glum值
总结与展望
本研究成功合成了由二维手性钙钛矿((R-/S-MBA)2PbI4)和CsPbBr3量子点(QDs)构成的手性钙钛矿异质结构薄膜，这些薄膜不仅展现出显著的圆二色性(CD)信号，还表现出明显的圆偏振发光(CPL)特性。通过圆偏振分辨的瞬态吸收(TA)光谱，研究揭示了CPL响应源自手性钙钛矿层与量子点层之间的能量转移以及自旋驰豫的抑制，导致量子点层激发态自旋种群的不平衡。此外，通过调整手性钙钛矿层的厚度和组成，实现了对异质结构薄膜的光致发光(PL)、CD和CPL光谱的有效调控，这表明阴离子交换可以精细控制异质结构薄膜的发光特性，并减少量子点层内的应变以降低辐射复合寿命。这项工作不仅为合成具有强CPL响应的手性钙钛矿薄膜提供了新的方法，而且为理解异质结构薄膜中CPL的起源提供了深入的洞见。展望未来，这些发现有望推动手性钙钛矿在光电器件，尤其是圆偏振发光器件中的应用，同时为进一步探索和优化手性钙钛矿材料的光电特性提供了新的方向。
文献详情
https://doi.org/10.1021/acsnano.4c06631
