我院潘跃晓教授团队在国际著名刊物Inorganic Chemistry Frontiers上发表学术论文

湿度传感器作为检测环境中含水量的一种重要精密设备广泛应用于气象、防伪、医疗等研究领域，因而受到了科研工作者的密切关注。在此前的报道中，有研究者以多孔基质为载体，在有水和无水的环境下，利用铅基卤化物钙钛矿材料发生的可逆结构相变所引起的荧光性质巨大差异用于检测空气中的水分。此外，也有报道通过水分子的引入和去除机制，在无机-有机杂化钙钛矿发光材料中观察到明显的红光/黄光转换。尽管这类材料可用于粗略的湿度监测，但重金属离子和有机高分子的引入限制了实际应用且目前缺乏对发光机理的详细阐述。因此，制备一种灵敏度高、绿色环保且具有超高量子产率（PLQY）的新型材料并通过实验及理论计算来解释其发光机理，推动这类材料在实际中的运用具有重大研究意义。

近日，澳门新葡平台网址8883潘跃晓课题组通过水热法制备得到了一种全新的稀土Sc基卤化物钙钛矿单晶Rb₂ScCl₅·H₂O，通过Sb³⁺掺杂实现了在600 nm处的高效橙色发光。由于配位水的存在会显著影响结构的稳定性和发光性能，因而作者尝试用高温处理的方式进行研究。将研磨成粉末的Rb₂ScCl₅·H₂O:Sb³⁺经250 ^oC处理后，该结构发生相变得到另一种钙钛矿相Rb₃ScCl₆:Sb³⁺，呈现明亮的500 nm青色发光，并具有超高的热稳定性，其量子产率高达99%。Rb₂ScCl₅·H₂O和Rb₃ScCl₆均表现为自陷激子发射（STEs）荧光特征，通过DFT理论计算发现Sb³⁺的5p轨道远高于其导带底部，因此作者推测两种新型钙钛矿材料的发光机理均为STEs，而非源于Sb³⁺的5s²→5s¹5p¹能级跃迁。

图1：Rb₂ScCl₅·H₂O:Sb³⁺荧光特性表征与温度等因素的依赖关系。

此外，在普通的室内环境下，经过1小时后，裸露在空气中的青色发光的Rb₃ScCl₆:Sb³⁺会水分而改变其晶体结构，变回橙色发光的Rb₂ScCl₅·H₂O:Sb³⁺，其转变速率与接触面积和空气湿度存在强烈的正相关性，并且可以多次循环使用，对比发现，在密封的Rb₃ScCl₆:Sb³⁺因为隔绝了空气，经过1小时后，依然保持明亮的青色发光。

图2：Rb₃ScCl₆:Sb³⁺和Rb₂ScCl₅·H₂O:Sb³⁺之间的相变、晶体结构、光谱与XRD变化谱图及WLED应用。

综上，本工作中全新的稀土Sc基卤化物钙钛矿单晶具备超高PLQY，并使用稀土元素Sc取代重金属Pb作为钙钛矿结构的中心离子，且不含任何有机配体，大大提高了材料的稳定性。作者通过实验以及理论计算解释了两种新型钙钛矿材料的发光机理源于STEs。这种优异的光学、环保、稳定性能以及钙钛矿材料结构相变引起发光性质的明显差异使得这类材料成为了潜在的湿度传感器。

这一研究结果以“Orange/Cyan Emissive Sensors of Sb³⁺ for Probing Water via Reversible Phase Transformation in Rare-Earth-Based Perovskite Crystals”为题发表在《Inorganic Chemistry Frontiers》。澳门新葡平台网址8883为第一通讯单位，澳门新葡平台网址88832020级硕士研究生黄叶鑫为第一作者，潘跃晓教授为通讯作者，中科院长春应化所林君研究员、清华珠三角研究院李丽仪博士为共同通讯作者，相关工作受到国家自然科学基金（52172152、51932009、52172166）、浙江省自然科学基金重点项目(LZ20E020003、LQ22B010003)、温州市重大科技创新项目（ZG2020025）和广州开发区粤港澳创新中心应用研究项目的资助。

原文链接：

https://pubs-rsc-org-s.webvpn.wzu.edu.cn/en/content/articlepdf/2023/qi/d2qi02221d