创新点：利用紧束缚钙钛矿纳米片中暗激子为第一激发态的特性，通过低温超快光谱证明了具有超长寿命的暗单重态激子是三重态能量传递的主要能量给体。
关键词：Laser and Photonics Reviews，三重态能量传递，钙钛矿纳米片，暗激子，中科院福建物构所
三重态湮灭上转换发光（TTA-UC）是一种可在低激发强度下实现高效上转换发光的策略，有望被广泛应用于光催化、太阳能电池等领域。然而，在传统有机体系中的TTA-UC受到有机分子能级结构的限制，通常伴随着较大的能量损失（> 0.5 eV），而半导体量子点敏化的TTA-UC则可完美解决能量损失问题。此外，半导体量子点还具有合成简单、吸收截面大、光谱调控方便等优势，因此量子点敏化的TTA-UC逐渐成为研究热点。但是，对于由量子点中强量子束缚效应所引起的激子能态分裂对三重态能量传递的影响仍缺乏深入探讨。针对这一问题，中科院福建物构所朱浩淼团队选取二维CsPbBr3钙钛矿纳米片作为TTA-UC的敏化剂（图1），在实现高效上转换发光的同时，探索了激子分裂对三重态能量传递的影响。
图1 （a）纳米片敏化TTA-UC示意图（b）纳米片的TEM照片（c）苯甲酸（1-NA）修饰前后纳米片的发射和吸收光谱。
采用厚度仅为2 nm的CsPbBr 3 钙钛矿纳米片，利用其强的量子束缚效应，可有效实现激子波函数的离域从而增强激子与表面1-NA分子的Dexter交换作用，这是实现高效能量传递的关键。测试表明采用纳米片作为TTA-UC的敏化剂所能获得的能量传递速率是采用传统量子点作为敏化剂时的10倍。更加重要的是，紧束缚钙钛矿纳米片具有独特的激子能级结构，与大部分半导体量子点不同，钙钛矿纳米片中的第一激发态激子为暗单重态激子，且亮-暗激子分裂能超过20 meV，这意味着在低温下暗激子的发光将占主导。该团队采用低温瞬态光谱对纳米片和1-NA间的三重态能量传递进行了详细的研究（图2）。结果表明，纳米片敏化的三重态能量传递中主要的能量给体并非一直以来认为的三重态激子（BT），而是具有更长寿命的单重态激子（DS）。
图2 （a）单重态（DS）和三重态（BT）敏化的三重态能量传递示意图（b, c）1-NA修饰前后纳米片的变温发射光谱（d, e）1-NA修饰前后纳米片的寿命曲线
单重态（DS）与有机分子三重态间的能量传递现象可以通过考虑纳米片中载流子的强自旋-轨道耦合来解释。以钙钛矿纳米片为例，其导带具有p型原子轨道的特征，因此其中电子的自旋量子态可以与轨道量子态实现较强的耦合。自旋-轨道耦合的直接结果是单重态（DS）激子的波函数同时含有单重态和三重态的特征，从而可以实现无自旋翻转的三重态能量传递。更加重要的是，相比跃迁为光学许可的、寿命极短的三重态激子（BT），钙钛矿纳米片中的暗单重态激子（DS）跃迁为光学禁阻，因此其具有较长的寿命，这为实现高效的三重态能量传递提供了有利条件。
最后，该团队在基于钙钛矿纳米片，1-NA和2,5-二苯基恶唑（PPO）的复合体系中成功实现了450 nm到350 nm的上转换发光，其阈值仅为0.76 W/cm 2 （图3），远低于传统量子点敏化的上转换发光系统。
图3 纳米片敏化TTA-UC随激发强度的变化
这项研究有助于深入理解量子点敏化三重态能量传递机制并为上转换发光体系的设计提供了新的思路。
WILEY
论文信息：
Dark Singlet Exciton Sensitized Triplet Energy Transfer Across the CsPbBr3 Nanoplate-Organic Interface
Kunyuan Xu, Renfu Li, Dejian Chen, Jie Hu, Sisi Liang, and Haomiao Zhu*
Laser and Photonics Reviews
Laser
& Photonics
Reviews
期刊简介
Laser & Photonics Reviews 是一份双月刊同行评审科学期刊，涵盖光学科学各个方面的研究，由Wiley-VCH出版，包含综述、论文、快讯文章等内容，2021年影响因子13.138。
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