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近期,郑州大学化学学院卢思宇教授团队在手性钙钛矿纳米晶的制备方面取得突破性进展,在Advanced Materials上发表重要学术论文:“Full-Color Circularly Polarized Luminescence of CsPbX3Nanocrystals Triggered by Chiral Carbon Dots”,共同第一作者为博士研究生茹艺张保卫博士和雍雪博士。通讯作者为卢思宇教授

手性材料通常表现出特殊的圆二色性(CD)、圆偏振发光(CPL)、非线性光学效应、压电性、和铁电性,在许多领域具有广泛的应用。向明亮可编辑的钙钛矿材料中引入手性,为制备具有优异光学性能的新型手性材料提供了新的见解。目前,赋予钙钛矿纳米晶(NCs)手性的方法有三种:(1)在钙钛矿NCs表面修饰手性配体; (2)手性分子作为钙钛矿NCs的A位阳离子; (3)将钙钛矿NCs组装在手性基质中。上述修饰通常会对原始钙钛矿NCs的光学性质产生负面影响,如光致发光量子产率(PLQY)大幅降低,圆偏振发光难以扩展到全可见光范围,甚至仅能获得具有基态CD信号的NCs。

钙钛矿NCs与其它纳米材料的复合材料在发现新材料的新性能方面显示出巨大的潜力。例如,CsPbX3 (X=Br, I) NCs与金属硫化物半导体(ZnS, CdS, PbS, CdSe, PbSe, Pb4S3Br2)或碳点(CDs)之间的复合材料具有I型或II型能带排列,可以有效调节CsPbX3 NCs的光响应性和发光性能。此外,CsPbBr3NCs与一些二维层状材料(如氧化石墨烯、磷烯和MXene)的复合对其光电性能、光响应和CO2还原能力的调节具有巨大的影响。可以预测,将手性纳米材料引入钙钛矿NCs,将展现出互补的优势,有望解决目前手性钙钛矿NCs所面临的困境。不幸的是,这种手性钙钛矿材料尚未被探索。

自下而上制备的手性CDs (Ch-CDs)作为一种新型的零维聚合物/碳杂化纳米材料,不仅继承了传统碳点的优良光学性能,而且还具有聚合物特性。这种聚合物壳/碳核杂化结构赋予了Ch-CDs一种特殊的光致发光机制,并被证明可以显著改善电子器件中的电荷转移。与其他手性纳米材料相比,Ch-CDs具有合成方便、成本低、在水中溶解性好、带隙可调等优势。然而,Ch-CDs通常不具有CPL,其PLQY相对较低。将Ch-CDs与钙钛矿NCs结合,为设计具有高PLQY和CPL特性的手性发光材料提供了新的机会。

基于此,本研究团队报道了基于简单配体辅助共沉淀法在室温下原位合成Ch-CDs-CsPbBr3NCs的方法。Ch-CDs-CsPbBr3的发射峰位于517 nm、PLQY高达93%。Ch-CDs部分引入了整个结构的手性,使其具有CPL,最大不对称因子(glum)为−0.0031,在激发态下被反转。TEM和XRD结果表明,引入Ch-CDs后,CsPbBr3 NCs的形貌和结构没有发生变化。FTIR、XPS和NMR表征显示,Ch-CDs通过 - COO、 - NH2和CsPbBr3 NCs的金属离子相互作用结合。TA、CV和Tauc图的带隙分析表明,Ch-CDs和CsPbX3 NCs形成I型能带排列,电子从Ch-CDs转移到CsPbX3 NCs,从而使其表现出特殊的CPL。这一研究成果为新型手性钙钛矿材料的开发提供了新的思路,将引发更多关于新型手性钙钛矿材料的研究。


图1. Ch-CDs-CsPbBr3 NCs的形貌和结构表征

论文链接:
https://doi.org/10.1002/adma.202207265
来源:高分子科学前沿

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