球磨1小時所得藍光CsPbBr₃納米晶PLQY達85%：量子限域3-5 nm顆粒無需混鹵實現460 nm發射

1 背景與問題

銫鉛鹵化物鈣鈦礦納米晶因其優異的光學特性和近統一的光緻發光量子產率（PLQY）而備受關注。然而，在實際應用中，該材料體系面臨著嚴峻的挑戰。通常情況下，為了實現可見光範圍內的發射波長調控，研究者采用混合鹵素的方法，但這往往導緻相分離和材料穩定性差的問題。另一種調控手段是通過量子限域效應，即減小納米晶尺寸來調節發射波長，但在以往的報道中，尺寸減小往往伴隨著PLQY的顯著下降。此外，現有合成方法（如熱注射法）在規模化生產方面存在局限性，難以滿足實際應用對高產率材料的需求。因此，如何開發一種既能實現量子限域調控、又能保持高PLQY和高穩定性的規模化合成技術，並建立精確的表征手段來驗證材料性能，成為當前研究的核心痛點。

2 核心方案

針對上述挑戰，阿姆斯特丹大學A Goyal等研究人員在《Journal of Physics: Materials》上發表了一項重要研究，提出了一種簡便、環保且可擴展的高能機械化學合成路線，成功製備了具有量子限域效應的溴化銫鉛CsPbBr3納米晶。

該研究采用定製的高能攪拌球磨機，在氮氣氛圍和連續水冷卻條件下進行合成。為了精確驗證合成材料的光學性能，研究團隊構建了一套嚴謹的光學表征流程：

(1) 絕對PLQY測量：利用積分球配合150 W氙燈和光譜儀，對不同樣品的內量子效率進行絕對測量；

(2) 時間分辨光緻發光（TRPL）光譜：使用時間相關單光子計數（TCSPC）系統，結合375 nm脈衝激光器，分析載流子複合動力學；

(3) 微區發光光譜：結合原子力顯微鏡（AFM）與顯微光譜系統，在單顆粒尺度上確認尺寸與發光波長的對應關系。

圖1.機械化學合成樣品的光學性質。(a)分離尺寸後的CsPbBr3樣品的光緻發光（PL）和吸收光譜。可見兩個PL峰，分別位於約460 nm和約505 nm處。對應的吸收曲線顯示兩個PL峰均存在吸收邊，表明存在兩種發射態。左圖插入：在紫外光照射下分離尺寸的樣品呈現藍色發射。右圖插入：未分離尺寸的樣品呈現綠色發射，並具有吸收/PL光譜，其發射峰位於約505 nm處。(b)小尺寸納米顆粒的PL激發光譜，其中PL@460 nm（黑色）和PL@505 nm（紅色）分別對應不同波長的發射。(c)合成90天後原始樣品與分離尺寸樣品的PL發射光譜對比。紅移及PL強度增加表明粒子隨時間發生聚集和應力鬆弛。

3 實驗結果與分析

通過上述先進的測試手段，研究團隊獲得了令人振奮的實驗數據，充分證明了該合成路線的有效性。

3.1 關鍵性能指標

研究成功製備了發射波長分別為藍色（460 nm）和綠色（505 nm）的兩種尺寸分布的CsPbBr3納米晶。最引人注目的是，這些納米晶表現出極高的發光效率和優異的穩定性。

圖2.對於尺寸分離的樣品（a）和大尺寸納米顆粒（非尺寸分離）樣品，分別對兩個PL峰進行的時間分辨熒光光譜測量。原始數據以淺色背景顯示，對應擬合曲線（實線粗線）標出。箭頭表示隨著PL峰能量降低，熒光壽命增加。尺寸分離樣品的兩個PL峰均表現出單指數衰減，而塊體樣品則表現為雙指數衰減。熒光壽命數據列於圖中插入部分。(b)尺寸分離樣品。各PL峰波長對應的熒光衰減曲線以不同顏色顯示。從單指數擬合中提取的壽命值以PL峰波長為變量，在圖中插入部分展示。觀察到隨著PL峰波長增加，熒光壽命也隨之增大。

3.2 數據深度解析

實驗數據顯示，剛製備的綠色發射樣品PLQY約為22%，但在環境條件下存放90天後，PLQY大幅提升至89%。這一反直覺的現象通過時間分辨PL譜得到了解釋：新鮮樣品中存在較快的非輻射複合通道（缺陷），隨著時間推移，球磨誘導的應力鬆弛及缺陷愈合，關閉了非輻射通道，從而大幅提升了量子產率。

此外，通過微區PL與AFM的聯用表征，研究人員直接觀測到了單個納米晶的發光波長與其高度的對應關系，確認了460 nm藍光發射確實源自3-5 nm的小尺寸顆粒的量子限域效應，而非相分離或結構變化。這一發現為利用尺寸調控實現穩定藍光發射提供了堅實的實驗證據。

4 產品介紹

HiYield-PL

光緻發光量子效率測量系統

HiYield-PL是一款絕對光緻發光量子效率測量儀，用於測量發光粉體、薄膜和光功能材料的PLQY及吸收、發射特性。系統支持兩步法和三步法，並集成積分測量與數據校正。適用於熒光粉、量子點、發光陶瓷、薄膜材料和配方篩選。絕對PLQY是熒光粉、量子點、發光陶瓷、鈣鈦礦薄膜和光轉換材料的重要指標，但弱吸收、散射和樣品形態會顯著影響結果。HiYield-PL支持兩步法和三步法，便於針對粉體、薄膜和固體樣品選擇合適的測量方法。

4.1 技術特點

(1) 支持兩步法和三步法PLQY測試，可根據樣品吸收和散射特性選擇測量流程；

(2) 測試波長範圍覆蓋300-900 nm，擴展近紅外1700 nm，適配常見可見發光材料及近紅外體系；

(3) 可同步輸出吸收光譜、發射光譜、光譜功率分布、峰值波長和中心波長等參數；

(4) 光學耦合部件、樣品倉、積分測量主機與分析軟件建立標準化絕對量子效率測量測量流程；

4.2 產品優勢

(1) 聚焦PLQY標準化測量，流程比通用熒光光譜儀外接積分球更清晰、易複現；

(2) 兩步法/三步法兼容提高對不同樣品形態和弱吸收材料的適配能力；

(3) 專用PLQY測量流程比通用熒光光譜儀外接積分球更易保持校準、操作與數據處理的一緻性。

綜上所述，機械化學法合成的CsPbBr₃藍光納米晶（460 nm）PLQY達85%，其精準評估離不開對弱吸收、高散射樣品的準確測量。東譜科技HiYield-PL系統支持兩步法與三步法測試，有效排除再吸收與散射光幹擾，光譜覆蓋300-900nm（可擴展至1700nm）。HiLight時間分辨光譜儀可對納米晶瞬態熒光壽命進行表征，揭示載流子複合動力學。東譜科技為量子點等發光材料提供標準化測試方案。

原文參考：Mechanochemical synthesis of stable, quantum-confined CsPbBr3 perovskite nanocrystals with blue-green emission and high PLQY