中国科学院福建物质结构研究所构筑出水稳定金属卤化物并实现高精度荧光寿命温度传感。

中国科学院福建物质结构研究所陈学元研究员团队在金属卤化物荧光寿命温度传感研究中取得进展。团队通过引入疏水性三苯基膦（TPP）配体，构筑了水环境稳定的有机-无机杂化金属卤化物TPP₃Cu₂Br₂，并基于其荧光寿命实现了高精度的水下温度传感。

图1 (a) TPP₃Cu₂Br₂的晶体结构；(b) TPP₃Cu₂Br₂的荧光寿命随温度变化曲线；(c) TPP₃Cu₂Br₂与Cs₃Cu₂Br₅的热膨胀系数对比。

金属卤化物因其优异的光电性能在发光与传感领域展现出广阔的应用前景。然而，大多数金属卤化物材料在水环境中极易分解，严重限制了其在水下传感等领域的应用。因此，开发兼具水环境稳定性和高灵敏度温度响应特性的金属卤化物材料，对于实现水下微区温度场的实时监测与空间分布解析具有重要意义。

针对上述挑战，中国科学院福建物质结构研究所陈学元研究员团队通过引入疏水性三苯基膦（TPP）配体，成功构筑了有机-无机杂化金属卤化物TPP₃Cu₂Br₂。该材料不仅表现出优异的水稳定性（在水中浸泡30天后结构保持完整，发光性能无明显衰减），而且具有高达1.94 × 10^-3 K^-1的热膨胀系数，约为传统无机金属卤化物Cs₃Cu₂Br₅的8倍（图1）。巨大的热膨胀效应使得TPP₃Cu₂Br₂中[Cu₂Br₂]二聚体的结构随温度升高发生显著畸变，进而调控其激发态能量转移与辐射跃迁过程，最终实现了对温度极为敏感的荧光寿命响应（0.44% K^-1）。

图2 (a-d) TPP₃Cu₂Br₂在水中的稳定性；(e-f) Cs₃Cu₂Br₅和TPP₃Cu₂Br₂的接触角测试与结合能计算。

此外，研究团队还验证了荧光寿命温度传感的精度优势。在不同深度的水环境中，基于TPP₃Cu₂Br₂发光强度的测温误差随水深增加急剧增大，在水深10 mm时误差超过30C；而TPP₃Cu₂Br₂荧光寿命传感始终保持约1C的较小测量误差，展现其在水环境中优异的测温准确性（图3）。

图3 (a)不同深度水环境中的温度传感示意图；(b-c) TPP₃Cu₂Br₂在不同深度水环境中荧光寿命和荧光强度变化；(d-e)基于荧光寿命和荧光强度的温度传感误差值。

该工作通过在有机-无机杂化金属卤化物体系中引入疏水性三苯基膦（TPP）配体，成功构筑了兼具水环境稳定性和温度响应灵敏性的金属卤化物TPP₃Cu₂Br₂，这一研究结果不仅为水下微区温度场的实时监测与空间分布解析提供了新思路，也为发展面向智能传感应用的高稳定性金属卤化物材料开辟了新路径。

相关研究成果以“Luminescence Lifetime Thermometers Based on Hybrid Cuprous Halides with Exceptional Water Resistance and Giant Thermal Expansion”为题2025年6月24日发表在光学旗舰期刊《光：科学与应用》（Light Sci. Appl.2025,14,224）。论文的第一作者是中国科学院福建物质结构研究所/上海科技大学联培博士研究生李忱亮，中国科学院福建物质结构研究所陈学元研究员、涂大涛研究员和福建师范大学汪路平副教授为本文的共同通讯作者。

此前，陈学元团队在金属卤化物钙钛矿材料的光学性能设计方面取得了系列重要进展。例如，开发了具有蓝光/近红外双波段自限激子发射的Cs₂NaScCl₆稀土基双钙钛矿材料（ACS Energy Lett.2025,10,2150-2159），通过Na/Ag合金化策略对Cs₂AgBiCl₆:Yb/Er双钙钛矿材料进行局域结构调控，实现了稀土离子近红外高效发光（Angew. Chem. Int. Ed.2022,61,e202205276）；利用Cs₂NaInCl₆:Yb/Er双钙钛矿的Cl-Yb电荷转移跃迁敏化增强了Yb³⁺/Er³⁺的近红外光发光（Adv. Sci.2022,9,2203735）。

文章链接：https://doi.org/10.1038/s41377-025-01910-1

(陈学元课题组 供稿)