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高压与超硬材料全国重点实验室邹勃教授团队肖冠军教授等人,在压强诱导锰基杂化金属卤化物的压致变色及高压红光截获研究取得重要进展。研究团队利用压力工程调控零维锰基杂化金属卤化物材料(C6H14N2)MnCl4的晶体场和 Mn-Mn 耦合相互作用,成功实现了高压下锰基杂化金属卤化物从绿色到红色的显著压致变色。值得注意的是,压强处理后锰基金属卤化物红光发射的显色指数和色纯度,从最初的14 和66.5% 显著提高到72和85.9%。压力处理后的非晶结构Mn-Cl 键长和 Mn-Mn 距离减小,增强了晶体场和 Mn-Mn 耦合相互作用,促进了红光发射的保留。这项工作揭示了从绿光到红光的压致变色物理机制,实现了高压处理后锰基金属卤化物红光发射的截获,促进了新一代高效红光非晶态发光材料的开发。相关研究成果以“Red-Emission Harvesting Unlocked by Pressure-Enhanced Crystal Field and Mn-Mn Coupling”为题发表在《Laser & Photonics Reviews》上。
白光发射二极管 (WLED) 因其多场景应用而成为重要的新一代固态光源之一。然而,由于缺乏具有高显色指数 (CRI) 的红光发射组分,WLED 通常会发出刺眼的白光。开发一种在蓝光区域具有强吸收能力并在红光区域有效发射的红光发光材料是一项挑战。压强可以通过改变材料的晶体结构和电子构型,进而有效调控材料的物理和化学性质。尽管一些锰基相关的金属卤化物在高压下实现红色发射的研究已有报道,但是其红色发射在压力完全释放后消失,这在很大程度上抑制了这种材料的实际应用。因此,探索经压力处理后仍能保持高效红光发射性能的锰基金属卤化物具有重要的研究意义与应用价值。
本研究通过引入高压策略,以实现零维锰基金属卤化物中从绿色变为红色的显著压变色,并且实现了高效红光发射截获。压强处理后(C6H14N2)MnCl4的红光发射的 CRI 和色纯度显著提高至 72 和 85.9%。为了深入了解压强处理后红光发射截获的物理机制,研究人员借助分子动力学模拟,探索了压强处理后(C6H14N2)MnCl4 的局部结构变化,发现压强处理后Mn-Cl 平均键长和Mn-Mn距离明显减小。高压处理前后Mn2+的Tanabe-Sugan (T-S)图 表明,压强处理后Mn2+ 的晶体场作用增强。进一步的电子自旋共振(ESR)和磁化率测量实验,证明了压强处理后非晶样品的Mn-Mn偶极-偶极相互作用和反铁磁自旋交换相互作用增强。孤立的Mn2+离子的电荷转移可以经过电荷分离态,转变为 Mn-Mn 激发态产生红光发射。4T1态分裂成不同的能级,激发态到基态的能量降低,导致四面体配位的锰基杂化金属卤化物中出现红光发射。与此同时,氢键相互作用增强,提高结构刚性并抑制了 [MnCl4]2- 的热振动过程,导致发光增强。
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高压与超硬材料全国重点实验室硕士研究生杨佳毅为本文的第一作者,博士研究生丛铭为共同第一作者,约炮软件-免费约炮软件
本科生叶润楠为第二作者,通讯作者为吉林大学肖冠军教授,并得到了邹勃教授的大力支持。该工作得到了国家重点研发计划重点专项和国家自然科学基金等项目的资助,以及上海光源同步辐射BL15U1线站的支持。
图文解析:
图 1. 高压调控下(C6H14N2)MnCl4的发光谱、色坐标、荧光照片以及时间寿命衰减曲线。
图2. 高压下(C6H14N2)MnCl4的结构变化及局域结构中Mn-Mn 距离和 Mn-Cl 键长减小的示意图。
图 3. 不同压力下(C6H14N2)MnCl4的结构示意图、激发光谱、Tanabe-Sugan (T-S) 图、时间寿命衰减曲线、IGM等值面分析和 Hirshfeld 表面分析。
图 4. 压力处理前后(C6H14N2)MnCl4的Tanabe-Sugan (T-S) 图、电子顺磁共振谱、磁化率测量谱、分子动力学模拟的局域结构、Hirshfeld表面分析和2D指纹图,以及压力工程处理后(C6H14N2)MnCl4中红光截获的机理示意图。