通过结构维度调控实现铟基金属卤化物圆偏振发光的阶梯式放大

研究人员针对手性无铅金属卤化物中高光致发光量子产率(PLQY)与大发光不对称因子(glum)难以兼得的关键矛盾，通过结构维度调控策略构建了0D/1D/3D铟基手性金属卤化物。该工作实现了近统一PLQY的自陷激子发射，且|glum|随结构维度提升呈指数级增长（从10-3至0.89×10-1），创下目前手性金属卤化物最高品质因数(FOM=0.79×10-1)，为高效圆偏振光源设计提供了新范式。

　　

在三维显示、量子计算等前沿领域，圆偏振发光(CPL)材料因其独特的光学特性备受关注。然而长期以来，这类材料面临着一个"鱼与熊掌不可兼得"的困境：要实现高发光纯度需要大发光不对称因子(g_lum)，而要获得高能量转换效率又需要高光致发光量子产率(PLQY)。传统手性材料如有机小分子、金属配合物等往往顾此失彼，且存在合成复杂、稳定性差等缺陷。金属卤化物虽展现出优异的光电性能，但其g_lum值普遍徘徊在10^-4-10^-3量级，这主要源于电偶极矩(μ)与磁偶极矩(m)的严重失衡。如何突破这种性能瓶颈，成为该领域亟待解决的科学难题。

中国科学院福建物质结构研究所的研究人员独辟蹊径，提出通过结构维度调控来协调这对矛盾。他们在《Nature Communications》发表的研究中，通过精确调控手性有机阳离子尺寸与极化特性，结合级联阳离子插入策略，成功构建了从零维(0D)到三维(3D)的铟基金属卤化物体系。(R/S-MeML)₂InCl₅·H₂O(0D)、(R/S-MeML)₂KInCl₅:Sb³⁺(1D)和(R/S-BLOH)KInCl₅:Sb³⁺(3D)三种不同维度的材料均展现出近统一PLQY的自陷激子(STE)发射，更令人振奋的是，其|g_lum|呈现阶梯式增长：从0D的1.72×10^-3到1D的10.30×10^-3，最终在3D结构中达到创纪录的88.00×10^-3，相应品质因数(FOM= g_lum×PLQY)高达0.79×10^-1，较此前报道最高值提升3.5倍。

研究主要采用单晶X射线衍射(SCXRD)解析晶体结构，通过变温荧光光谱和飞秒瞬态吸收(TA)证实STE发射机制，结合圆二色(CD)和圆偏振发光(CPL)光谱定量表征光学活性，并借助Hirshfeld表面分析量化手性传递效率。理论计算则通过求解辐射复合速率方程，揭示了电/磁偶极矩的协同调控机制。

结构设计与性能表征

晶体结构分析显示，0D结构中[InCl₅(H₂O)]八面体被有机阳离子隔离；1D结构中K⁺和In³⁺通过Cl桥连形成双螺旋链；3D结构则呈现多1D螺旋链互连的网络。Hirshfeld表面分析证实，随着维度提升，有机-无机界面相互作用（H-Cl氢键等）从34.2%增至49.0%，显著增强了手性传递。

光物理性能突破

所有材料均表现出STE发射特征：大斯托克斯位移(242nm)、宽发射半峰宽(147nm)及微秒级寿命(5.89μs)。特别是3D材料在83-363K温度范围内仍保持稳定发光， Huang-Rhys因子(S=29.87)和声子能量(33.66 meV)表明强激子-声子耦合作用。

CPL性能调控机制

理论计算揭示，维度提升使磁偶极矩|m|从0D的0.008μ_B增至3D的0.242μ_B（电偶极矩|μ|保持稳定），这是g_lum提升的关键。1D结构中[KIn(Sb)Cl_1,3]_n右旋螺旋与[KIn(Sb)Cl_2,4]_n左旋螺旋的协同作用，以及3D结构中In³⁺位点位移导致的螺旋畸变，共同放大了手性光学响应。

这项研究首次建立了金属卤化物结构维度与CPL性能的定量关系，突破了传统材料中PLQY与g_lum的此消彼长限制。3D手性框架产生的螺旋畸变效应为设计新型CPL活性材料提供了全新思路，其创纪录的性能指标使得金属卤化物在量子信息加密、偏振光电探测器等领域的应用迈出关键一步。正如研究者所言："这项工作不仅解决了手性光电材料领域的关键科学问题，更开辟了通过晶体工程精确调控光学活性的新途径。"