纳米尺度准二维钙钛矿中的A/B结构协同工程：双金属Cs+/Cd2+共掺杂以提高BA?MA?n-1Pb?nBr?n+1薄膜的发光性能和相稳定性

《Journal of Alloys and Compounds》：A/B-Site Synergistic Engineering in Nanoscale Quasi-two-dimensional Perovskites: Bimetallic Cs+/Cd2+ Co-Doping for Enhanced Luminescence and Phase Stability of BA 2MA n-1Pb nBr 3n+1Films

准二维钙钛矿薄膜通过A/B位协同掺杂Cs+和Cd2+，显著提升光致发光量子产率达90%（490nm），抑制相分离（1h和10h），并降低晶粒尺寸至10-15nm。温度依赖光谱揭示激子与陷阱复合的热竞争机制，激发态寿命延长。

　　在现代科技快速发展的背景下，钙钛矿材料因其独特的光电性能而受到广泛关注。特别是准二维（quasi-2D）钙钛矿薄膜，因其具有优异的量子阱效应和可调的发光特性，被认为是构建高性能光电子器件的理想候选材料。然而，目前准二维钙钛矿薄膜在光致发光量子产率（PL QY）和环境稳定性方面仍面临诸多挑战，限制了其在实际应用中的潜力。为了解决这些问题，科学家们积极探索新的材料设计策略，其中多元素协同掺杂技术被认为是提升性能的关键方向。

准二维钙钛矿薄膜通常由交替排列的无机铅八面体层和有机配体层组成，这种结构使得材料在光吸收和发光过程中表现出独特的特性。例如，通过调控无机层与有机层之间的耦合，可以有效调节材料的发光波长，实现从紫外到近红外范围的广泛发射。此外，这种结构还能够抑制卤素离子的迁移，提高材料的稳定性。然而，实际应用中发现，准二维钙钛矿薄膜的PL QY往往低于预期，通常在60%以下，这主要是由于缺陷诱导的非辐射复合过程。同时，薄膜内部可能存在的相分离现象也会影响其结构均匀性，进一步降低材料的性能。

为了解决这些问题，本研究提出了一种A/B位点协同掺杂策略，通过将多价态的Cs?和Cd2?离子引入准二维BA?MA???Pb?Br????薄膜中，显著提升了其光学质量和结构稳定性。具体来说，通过这种掺杂方法，薄膜的PL QY达到了90%，并且在490纳米波长处表现出优异的发射性能。此外，掺杂后的薄膜在435纳米波长处的相分离现象被有效抑制，即使在1小时和10小时的长时间照射下，仍然保持良好的均匀性。这一成果不仅提高了准二维钙钛矿薄膜的发光效率，还增强了其环境稳定性，为开发高性能的发光二极管、激光器等光电子器件提供了重要的基础。

在实验过程中，研究人员采用了两步旋涂法来制备准二维钙钛矿薄膜。首先，通过原位晶体生长引入Cs?离子，然后通过甲苯后处理引入Cd2?离子。这种方法不仅能够有效控制薄膜的组成，还能够在微观层面优化其结构。通过掺杂Cs?和Cd2?离子，研究人员发现薄膜的晶粒尺寸显著减小，甚至低于20纳米，同时表面粗糙度也接近1纳米。这种精细的结构调控不仅提升了薄膜的光学性能，还增强了其机械强度和热稳定性。

此外，研究人员还通过变量温度PL光谱分析了准二维钙钛矿薄膜的带边辐射动力学。实验结果表明，材料的发光行为受到热效应的显著影响，尤其是在激子与陷阱介导的复合过程之间存在复杂的竞争关系。在高温条件下，陷阱介导的复合比例增加，导致平均PL寿命延长。这一发现对于理解准二维钙钛矿薄膜的发光机制具有重要意义，同时也为优化其性能提供了新的思路。

通过A/B位点协同掺杂策略，研究人员成功构建了一个高熵环境，这不仅有助于提高薄膜的发光效率，还能够有效抑制离子的拓扑迁移。这种高熵环境的形成，使得材料在微观层面具有更高的稳定性，从而延长了其在实际应用中的使用寿命。同时，这种掺杂方法还能够调节材料的发射波长，使其在410纳米至530纳米范围内具有良好的可调性，为开发多色发光器件提供了可能。

为了进一步验证这些发现，研究人员还进行了详细的材料表征工作。通过X射线衍射（XRD）分析，确认了掺杂后的薄膜结构均匀性，没有出现明显的相分离现象。通过扫描电子显微镜（SEM）和原子力显微镜（AFM）观察，研究人员发现薄膜的表面形貌得到了显著改善，晶粒尺寸减小，表面粗糙度降低。这些结果表明，多元素协同掺杂不仅能够提升材料的光学性能，还能够优化其结构，使其更加稳定。

此外，研究人员还通过荧光寿命测量技术，分析了准二维钙钛矿薄膜的激子寿命。实验结果表明，掺杂后的薄膜在高温条件下表现出异常的带边衰减寿命增长行为，这与陷阱介导的复合机制密切相关。这种现象为理解材料的发光行为提供了新的视角，同时也为优化其性能提供了重要的理论依据。

综上所述，本研究通过A/B位点协同掺杂策略，成功提升了准二维钙钛矿薄膜的光学性能和环境稳定性。这一成果不仅为开发高性能的光电子器件提供了重要的基础，还为未来在光电子领域的研究指明了方向。通过进一步优化掺杂策略和深入研究材料的发光机制，相信准二维钙钛矿薄膜将在未来的光电子技术中发挥更加重要的作用。