1月13日，国家脉冲强磁场科学中心用户武汉理工大学刘超研究员在无铅Mn基卤化物纳米晶的可控制备、磁耦合调控光致发光机制及其在高性能X射线成像应用方面取得重要突破。相关研究成果以“Magnetic coupling-directed photoluminescence in phase-engineered cesium manganese bromide nanocrystals for high-resolution X-ray imaging”为题发表于《化工学报》（Chemical Engineering Journal）。该成果依托脉冲强磁场设施，由刘超教授联合湘潭大学孙立忠教授、哈尔滨工程大学任晶教授、中心韩一波教授合作完成，中心博士生康恩泽开展了脉冲强磁场磁光谱测量。
近年来，无铅Mn基金属卤化物因其结构的多样性、优异的光电性能和稳定性而备受关注。Mn²⁺离子间的磁耦合相互作用（偶极-偶极耦合与自旋交换耦合）是调控其光致发光（PL）性能的关键物理机制，然而Mn-Mn距离、耦合类型/强度与光学性能之间的内在关联机制尚不清晰，制约了高效、稳定锰基卤化物材料的设计与开发。
针对上述挑战，刘超研究员团队创新性地采用玻璃基质中的相变工程策略，通过精准调控前驱体玻璃中的Cs/Mn摩尔比，成功实现了三种不同晶体结构的Cs-Mn-Br纳米晶的可控析出：四方相Cs3MnBr5、正交相Cs2MnBr4和六方相CsMnBr3，并实现了Mn-Mn距离在3.3Å至7.02Å范围内的精确调控。通过综合运用时间分辨光谱、EPR、强磁场磁光测量等先进表征手段，首次清晰揭示了偶极-偶极耦合与自旋交换耦合在调控PL性能中的不同作用机制，并发现偶极-偶极耦合建立了一条全新的辐射能量转移通道，实现红-绿双波段的高效发光；而自旋交换耦合则主要加速了非辐射能量迁移，导致PL寿命和量子产率下降。通过外加0-44T脉冲强磁场改变Mn²⁺离子自旋排列与磁耦合作用，观察到显著的磁-光调控现象，进一步证实了Mn基卤化物纳米晶中磁耦合介导的荧光机制。该研究不仅深化了对Mn基卤化物材料发光物理机制的理解，还为设计高效、稳定的无铅卤化物材料提供了清晰的构效关系框架。此外，基于Mn基卤化物纳米晶玻璃的闪烁材料表现出卓越性能：光产额高达24252ph/MeV，检测限低至52.5nGy/s，空间分辨率达28.5lp/mm，在高分辨成像中展现出巨大潜力。
图a、b分别为三种Mn基卤化物纳米晶的Mn-Mn间距与荧光光谱，c、d为圆偏振磁光谱测试结果和不同峰位圆偏振度随磁场变化关系。
该研究利用了脉冲强磁场设施的极高磁场和温度依赖性的光谱测量条件，成功观测到Mn基卤化物纳米晶中异常双波段荧光行为在强磁场作用下的磁光效应，为偶极-偶极耦合介导的双发射机制提供直接证据。
论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894726003438?dgcid=coauthor
