类型a：学术研究报告

主要作者及机构
本研究由Tong Wu、Yun Shi（通讯作者）、Xiaoyi Zuo、Mingyue Chen、Hongbing Ran、Shuwen Zhao、Junfeng Chen和Yiwen Tang（通讯作者）共同完成。作者团队分别来自Central China Normal University（华中师范大学物理科学与技术学院）和Shanghai Institute of Ceramics, Chinese Academy of Sciences（中国科学院上海硅酸盐研究所）。研究成果发表于期刊Crystal Growth & Design，2025年1月6日在线发表，卷号25，页码663-671。

学术背景
本研究属于材料科学与辐射探测交叉领域，聚焦于新型闪烁体材料的开发。传统X射线成像中使用的闪烁体（如CdWO₄、CsI:Tl等）存在制备工艺复杂（高温高压）、含铅毒性或稳定性差等问题。铜基卤化物钙钛矿（如Cs₃Cu₂I₅）因其低维结构、环境稳定性和自陷激子（Self-Trapped Exciton, STE）发光特性成为研究热点，但其光产额低、衰减时间长的问题限制了应用。本研究旨在通过Mg²⁺掺杂调控Cs₃Cu₂I₅单晶的电子-声子耦合强度，提升STE发光效率，同时解决闪烁衰减与光产额的矛盾，推动其在柔性X射线成像中的应用。

研究流程与实验方法
1. 材料合成
- 晶体生长：采用改进的低温反溶剂蒸发法（Vapor Saturation via Antisolvent, VSA），将MgI₂掺入Cs₃Cu₂I₅前驱体溶液，在密闭反应釜中控制环境温湿度，生长出尺寸约4 mm的透明单晶（Cs₃Cu₂I₅:x%Mg, x=0-8）。
- 薄膜制备：将单晶研磨成粉末后与PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯）混合，通过旋涂法制备柔性闪烁体薄膜。

1. 结构表征

   • X射线衍射（XRD）：确认掺杂前后晶体均为纯相（PDF#79-0333），Mg²⁺未引起结构畸变（离子半径Mg²⁺=0.57 Å，Cu⁺=0.60 Å）。
     
   • X射线光电子能谱（XPS）：Mg 1s峰（1304.5 eV）证明掺杂成功；Cs 3d、I 3d和Cu 2p结合能负移，表明Mg²⁺掺杂降低了晶格电荷中心。
     

2. 光学性能测试

   • 稳态光谱：Mg掺杂使吸收边蓝移（310 nm→3.78 eV），增强250-320 nm紫外吸收；光致发光（PL）峰位440 nm（蓝光），量子产率（PLQY）从72.4%提升至81.7%。
     
   • 时间分辨光谱（TRPL）：平均荧光寿命从1022.2 ns延长至1069.1 ns，快衰减组分（STE寿命）从984.6 ns增至1062.6 ns，表明Mg相关缺陷态抑制了非辐射复合。
     

3. 低温PL分析（80-290 K）

   • 发现576 nm（2.15 eV）的Mg缺陷态发射，证实带隙内存在载流子捕获通道。
     
   • Huang-Rhys因子（S）从44.74增至51.3，表明Mg²⁺增强了电子-声子耦合，加剧Jahn-Teller畸变。
     

4. 闪烁性能评估

   • 辐射发光（RL）：X射线激发下，Mg掺杂样品发光强度显著提升，光输出增加22%。
     
   • 衰减时间：快慢组分分别为61 ns（4.1%）和2004 ns，未因掺杂而恶化。
     
   • 成像测试：柔性薄膜在200 μGy低剂量下空间分辨率达2.5 lp/mm，满足商用螺旋CT（2-5 lp/mm）要求。
     

主要结果与逻辑链条
- 掺杂机制：Mg²⁺取代Cu⁺位点形成浅电子陷阱能级，通过“缺陷态→STE态”的能量传递路径（图5b）提升激子利用率。
- 性能提升：增强的电子-声子耦合使STE发光效率提高，同时缺陷态捕获载流子减少了非辐射复合（图3f）。
- 应用验证：柔性薄膜的疏水性（接触角71°）和成像分辨率证明其实际应用潜力（图6e-h）。

结论与价值
1. 科学价值：揭示了Mg²⁺掺杂对Cs₃Cu₂I₅中STE发光的调控机制，提出“缺陷态辅助激子捕获”模型，为低维钙钛矿发光材料设计提供新思路。
2. 应用价值：开发的Cs₃Cu₂I₅:Mg@PMMA柔性薄膜兼具高光产额、快衰减和耐湿性，可推动低成本、低剂量X射线成像设备发展。

研究亮点
- 方法创新：首次采用VSA法实现Mg²⁺在Cs₃Cu₂I₅单晶中的均匀掺杂。
- 性能突破：PLQY达81.7%，光输出提升122%，且不牺牲衰减速度。
- 多尺度表征：结合低温PL、XPS和RL光谱，全面解析掺杂对能带结构的调控作用。

其他价值
- 提出的“负热猝灭”现象（图4a-b）为理解低维钙钛矿激子动力学提供新案例。
- 支持数据公开于Supplementary Information，包括XRD图谱、PLE光谱和辐射稳定性测试结果。