钠合金调控3D/0D金属卤化物异质结构实现高效电荷转移用于彩色集成白色闪烁体

研究人员针对无铅卤化物钙钛矿闪烁体发光强度不足和光谱调控受限的问题，通过钠合金策略构建了3D/0D Cs2NaLuCl6/Cs3LuCl6(Sb)异质结构。该研究揭示了I型异质结构中电荷转移机制，使闪烁体发光强度提升1.8倍，并实现光谱平坦的白色发射（CIE 0.31,0.32），为彩色集成X射线成像提供了新型材料基础。

　　

在医学诊断和工业检测领域，X射线成像技术对区分不同密度物质具有关键需求。传统双能X射线技术存在图像叠加不完美的问题，而基于闪烁体的解决方案又面临发光强度不足和光谱调控受限的挑战。无铅卤化物钙钛矿虽具有优异的X射线阻挡能力和可调发射波长，但0D结构材料如Cs₃LuCl₆(Sb)的辐射发光强度仅为3D材料的40%，且缺乏有效的光谱调控手段。如何通过材料设计同时提升发光效率和光谱性能，成为该领域亟待解决的科学问题。

河南大学的研究团队在《Nature Communications》发表的研究中，创新性地采用钠合金策略构建了3D/0D Cs₂NaLuCl₆/Cs₃LuCl₆(Sb)异质结构。通过理论计算证实3D相分解焓为+0.76 eV，证实了从0D到3D相的结构转变可行性。研究结合瞬态吸收光谱、时间分辨荧光和电导率测试，揭示了I型异质结构中从3D相到0D相的高效电荷转移机制，使0D受体发光强度显著提升。

关键技术包括：1）HCl辅助粉末法合成微晶；2）DFT计算能带结构和分解焓；3）瞬态吸收光谱分析电荷转移动力学；4）单粒子电导率测试；5）X射线激发辐射发光光谱表征；6）基于CMOS相机的彩色集成成像系统。

研究首先通过晶体结构设计，证实3D相具有更高PLQY（83% vs 56%）。钠合金诱导的结构转变形成非外延异质结构，HRTEM显示(222)和(115)晶面共存，SAED证实两相混合。

能带结构分析显示3D相功函数（5.82 eV）低于0D相（6.01 eV），形成从3D指向0D的内建电场。TA光谱显示3D/0D异质结构在560 nm处具有更强的光诱导吸收，电荷转移时间缩短至3 ps。

闪烁体性能测试表明，3D_0.3/0D_0.7样品RL强度达BGO的2.4倍，检测限降至140 nGy_air s^-1。通过Mn²⁺共掺杂实现CIE（0.31,0.32）的纯白色发射，RGB输出平衡（0.83,1,0.91）。

在彩色集成X射线成像中，该闪烁体对低密度纸张的成像对比度从5%提升至25%。研究还发现材料具有反常的辐照增强效应，在150°C下仍保持80%RL强度，空间分辨率达14 lp mm^-1。

该研究开创性地通过钠合金策略构建了高效电荷转移的I型异质结构，不仅为无铅金属卤化物材料设计提供了新思路，更推动了彩色X射线成像技术的发展。光谱平坦的白色发光特性突破了传统闪烁体在密度分辨成像中的局限，为开发低成本、高性能的医学和工业检测设备奠定了材料基础。研究揭示的电荷转移机制也可拓展应用于其他光电功能材料的设计。