弹性形变诱导RbI和KI单晶中Ex发射增强的机制研究及其对自陷激子辐射调控的启示

本研究针对碱卤化物晶体中自陷激子(STE)辐射效率调控的难题，通过低温单轴弹性形变技术，首次揭示了RbI和KI晶体中Ex发光带的本征属性，证实其与σ-STE发射的同步增强规律。研究人员发现形变使阴离子激子平均自由程缩短至5a，显著提升自陷效率，为开发新型辐射探测材料提供了理论依据。成果发表于《Optical Materials: X》。

　　

在固态物理学领域，碱卤化物晶体(AHCs)因其简单的立方结构和离子键特性，百年来一直是研究固体中物理过程的"模型材料"。其中铷碘化铯(RbI)和碘化钾(KI)单晶表现出独特的发光现象——除了常规的自陷激子(self-trapped exciton, STE)的σ和π组分发射外，还存在争议性的E_x发光带(峰值分别在3.1 eV和3.04 eV)。这个神秘发光带的本质长期存在两种对立假说：部分学者认为它属于具有偏心构型的特殊STE，另一些研究者则主张其源于杂质离子附近的束缚激子。更棘手的是，传统静水压实验虽然能改变发光强度比例，但无法区分本征与杂质效应，因为静水压不破坏晶体对称性。

正是这些悬而未决的问题，促使来自哈萨克斯坦的研究团队开展了这项创新研究。他们另辟蹊径地采用单轴弹性形变技术——这种能降低晶体对称性的独特手段，在85 K低温下对RbI和KI单晶进行精确调控。研究发现，当相对形变度ε达到1%时，σ-STE和E_x发射强度同步线性增长近10倍，这种完全一致的变化规律强有力地证实了E_x发光的本征属性。更巧妙的是，团队通过KI:Tl(300 ppm)晶体模型，首次量化了形变对激子迁移的影响：弹性形变使激子平均自由程R[e⁰]从235a骤降至5a，直接导致自陷效率提升。这些突破性发现不仅解决了长期争议，更为功能性发光材料的性能调控提供了新思路，相关成果发表在材料光学领域知名期刊《Optical Materials: X》上。

研究团队主要运用了三大关键技术：首先是低温单轴弹性形变系统，能在85 K下实现ε=0-3%的精确形变控制，通过I～f(ε)曲线的线性阶段明确区分弹性/塑性形变区；其次是X射线发光(XRL)光谱技术，使用MSD-2单色仪和Hamamatsu光电倍增管在2.0-5.0 eV范围记录光谱；第三是采用Kyropoulos法生长的超纯单晶，其中杂质浓度经火焰光度法确认低于1 ppm，为机理研究提供了理想载体。

【形变诱导RbI和KI单晶中E_x发射增强】
通过对比未形变与ε=1%形变的RbI晶体XRL光谱，研究发现σ-STE发射(3.9 eV)增强近10倍的同时，原本几乎淬灭的E_x带(3.1 eV)显著显现。关键证据在于两者强度随ε增长的线性关系完全一致，这种"同进退"的特征排除了杂质参与的假说。KI晶体实验也观察到类似现象：π-STE(3.3 eV)、σ-STE(4.2 eV)和E_x(3.04 eV)三者在ε≤1%时同步增强，进一步验证了E_x的本征属性。

【KI晶体单轴弹性形变的作用机制】
研究团队创造性地选用KI:Tl晶体作为"标尺"，通过监测Tl⁺杂质发射(2.85 eV)与π-STE的强度比I_Tl/I_π，首次实现了激子自由程的形变响应量化。数据显示当ε=1.5%时，R[e⁰]从初始235a锐减至20-27a——这与Tl⁺离子平均间距(20a)相当；当ε达3%时，R[e⁰]更降至5a以下，导致STE发光完全压制杂质发射。这种"距离调控"效应完美解释了形变增强自陷效率的物理本质。

这项研究通过精妙的实验设计解决了碱卤化物发光领域的关键争议：E_x发射确属本征的偏心构型STE辐射，其增强机制源于形变诱导的激子局域化效应。理论层面，研究建立了单轴形变-对称性破缺-激子迁移-辐射效率的完整关联链条；应用层面，提出的"形变调控自由程"策略为开发新型辐射探测器材料开辟了新途径。特别值得关注的是，团队发展的低温单轴形变光谱技术，为今后研究其他功能材料的构效关系提供了普适性方法学工具。这些发现不仅深化了对STE多态性认知，更为实现发光材料性能的主动调控提供了理论基石。