本文要點:第二近紅外(NIR-II)熒光材料在生物醫學成像和光學傳感領域具有廣闊應用前景,但其發展受限于發射波長較短、光致發光效率低下及發射光譜狹窄等問題。本研究通過壓力工程成功實現了零維無鉛空位有序雙鈣鈦礦Cs2WCl6從第一近紅外(NIR-I)到NIR-II窗口的發射調控。在外加壓力作用下,材料表現出6.9倍的發射增強與高達227 nm的紅移現象。壓力效應通過增強結構剛性降低電子-聲子耦合作用,減少非輻射能量損耗,進而優化了振動耦合d-d電子躍遷(1T2g/1Eg→3T1g)的發射性能。隨著壓力增加,3T1g與1T2g/1Eg能級差持續減小,W─Cl鍵收縮加劇晶體場分裂,多態發射平衡調控共同驅動發射紅移。該研究不僅驗證了壓力調控實現NIR-II發射的有效性,更為結構演變與光學性能的關聯機制提供了深層理論闡釋。


圖1. Cs2WCl6的壓力調制能帶結構演化與壓致變色
在Cs2WCl6的晶體結構中,該材料以A2BCX6型零維空位有序雙鈣鈦礦框架結晶(B位點=W??;C位點空位),鎢原子與六個氯原子形成八面體配位的孤立[WCl6]2?單元(圖1a)。這些被Cs?陽離子分隔的八面體單元構建出零維結構,其空位有序設計會引發強烈瞬態晶格畸變,導致體系內產生顯著的電子-聲子耦合作用。然而,[WCl6]2?八面體的高對稱性通過限制結構畸變抑制了自陷激子(STEs)形成,而W??構型的強晶體場分裂(10Dq)促進了自旋軌道耦合的d-d電子躍遷。具體而言,近紅外發射源于宇稱與自旋禁阻的1T2g/1Eg→3T1g躍遷,該躍遷通過振動耦合和相對論性自旋軌道相互作用獲得部分允許。常壓下,Cs2WCl6展現出900-1300 nm的寬發射光譜,峰值位于973 nm(圖1b)。
為深入探究Cs2WCl6能帶結構的演化規律,首先開展原位高壓紫外-可見吸收測試(圖1c,d)。加壓過程中樣品顏色由綠漸變為橙、黃、紅直至棕褐色,呈現顯著壓致變色效應(圖1c)。吸收光譜持續紅移(圖1c,d),其中477 nm處的初始吸收邊對應常壓2.6 eV的間接帶隙。當壓力升至18.0 GPa時,基于Tauc圖計算顯示帶隙縮窄至1.9 eV(圖1f)。繼續加壓至28.0 GPa仍觀察到吸收光譜紅移,對應帶隙持續減小。帶隙壓力敏感性呈現兩段線性變化:7.2 GPa以下以0.05 eV/GPa速率快速下降,超過該壓力后降速減緩至0.025 eV/GPa,這種突變可能預示著壓力誘導的電子結構相變。
值得注意的是,550-950 nm范圍內的吸收光譜存在顯著子帶吸收峰(圖1b,e),源于3T1g→1T2g/1Eg的d-d躍遷。隨著壓力增加,該吸收峰逐漸紅移,表明3T1g基態與1T2g/1Eg激發態之間的能隙減小。由于相應的1T2g/1Eg→3T1g躍遷是主要發射路徑,可推測熒光發射峰也將伴隨吸收紅移產生相應變化。

圖2. NIR-II窗口中的調制發射
低溫(78-318K)光致發光(PL)測試表明,隨著溫度降低,Cs2WCl6的發射強度增強并呈現多峰分辨的光譜特征(圖2a)。圖2b-f展示了不同壓力下Cs2WCl6在900-1700 nm范圍內的PL光譜變化。研究發現,從常壓到28 GPa壓力范圍內,Cs2WCl6的發射始終保持在近紅外區域。值得注意的是,熒光強度隨壓力增加而提升,在7.0 GPa時達到6.9倍的最大增強(圖2b-d)。該強度峰值與圖1g中7.2 GPa處觀察到的帶隙變化相吻合,表明電子結構調控與發光特性存在強關聯性。
常壓下Cs2WCl6的發射中心位于973 nm,其光譜主要分布在NIR-I區域,NIR-II窗口的發射較弱,限制了應用潛力。壓力釋放后,材料熒光強度降低且相較于初始狀態殘留10 nm紅移,表明壓力誘導的部分非晶化阻礙了結構恢復(附圖S6)。高壓研究顯示發射中心呈現近線性紅移,從973 nm移動至1200 nm,總偏移量達227 nm,壓力敏感度Δλ/ΔP=7.9 nm·GPa?1。歸一化PL光譜證實壓縮后的Cs2WCl6發射顯著向長波方向移動(圖2e,f)。此外,隨著壓力增加,PL光譜的半高寬逐漸展寬,表明近紅外發射窗口擴大。由此可見,壓力調控成功實現了Cs2WCl6發射從NIR-I到NIR-II窗口的跨越,這對發展NIR-II窗口近紅外材料具有重要意義。

為深入理解Cs2WCl6結構與光學特性的關聯性,開展了高壓同步輻射X射線衍射(XRD)實驗(圖3a)。通過對XRD數據的精修,確認了Cs2WCl6初始立方相結構,其屬于Fm-3m空間群,晶格參數a=10.23 ?(α=β=γ=90°),與文獻報道一致(圖3b)。圖3a中XRD峰位隨壓力增加向高角度方向的移動證實了結構壓縮現象。值得注意的是,在整個測試壓力范圍內未出現新衍射峰,表明材料保持結構穩定性而未發生相變。當壓力升至18.0 GPa時,衍射峰強度下降暗示晶體的長程有序結構遭到破壞,導致結晶度降低。

圖4. Cs2WCl6在壓力下銫的排放機理說
PL光譜分析顯示存在不對稱發射峰,表明1T2g/1Eg→3T1g躍遷存在不同振動耦合能級的發射特征(圖4)。通過高斯分峰擬合獲得三個對稱發射峰:963 nm(1.29 eV,常壓)、1060 nm(1.17 eV,常壓)和1181 nm(1.05 eV,1.0 GPa),分別對應E1、E2和E3三個相鄰發射能級。這些峰位呈現高度一致的0.12 eV能級間隔,源于1T2g/1Eg激發態與3T1g基態不同振動激發態(v=1,2,3)之間的輻射躍遷。值得注意的是,常壓下僅出現E1和E2兩個峰位,隨著壓力增加,第三個峰位E3逐漸顯現并成為核心發射點——1180 nm(1.05 eV)處E3峰的出現,標志著壓力激活了低能振動態的輻射復合過程。
發射組分的強度、半高寬及峰位變化如圖4c所示。三個d-d躍遷振動耦合發射組分(E1-E3)的強度均在7.0 GPa達到最大值,與整體發射趨勢一致。超過7.0 GPa后強度逐漸下降,其中E1組分在20.0 GPa以上消失。三個組分的半高寬(在壓縮初期略有收窄,但在20.0 GPa后出現突變,暗示壓力誘導的振動耦合層級改變。盡管存在波動,較大的半高寬仍保障了材料在NIR-II窗口的寬譜覆蓋特性。
圖3d闡明了Cs2WCl6在常壓與壓縮狀態下的發射機制。PL光譜分析表明:常壓下材料主要通過兩個高能躍遷(E1和E2)發射,對應1T2g/1Eg→3T1g的d-d電子躍遷分別耦合v=1和v=2振動能級;而能級組分(E3,v=3)因強電子-聲子耦合處于淬滅狀態。隨著壓力增加,晶格剛性增強抑制了電子-聲子相互作用,不僅激活了更高振動能級(v=3,E3)的發射通道,還通過減少聲子輔助的非輻射損耗顯著提升了所有振動耦合d-d躍遷的輻射效率。同時,壓縮過程中基態3T1g與激發態1T2g/1Eg的能隙(ΔET)持續減小,直接驅動1T2g/1Eg→3T1g發射的整體紅移。此外,壓力誘導的W─Cl鍵收縮增強了晶體場分裂能(10Dq),進一步縮小1T2g/1Eg→3T1g能隙并放大發射紅移效應。超過7 GPa后,逐漸出現的晶格畸變和初始非晶化引入缺陷與應變,形成新的非輻射路徑,抵消了電子-聲子耦合減弱帶來的輻射增強,導致所有峰位的總發射強度下降。值得注意的是,在整個壓力范圍內發射平衡持續向低能躍遷轉移:20 GPa以上最高能發射(E1)消失,而低能組分(E2、E3)占比增加,最終實現向更深NIR-II窗口的持續紅移。壓力對初始多組分發射平衡的擾動揭示出新型輻射通道,通過優化協同發射特性拓寬PL光譜半高寬,最終促成寬帶NIR-II發射的轉變。
參考文獻
Wang, Jingtian, et al., Pressure Modulates Emission of Cs2WCl6 in the NIR‐II Window., Laser & Photonics Reviews (2025): e01238.
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