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2022 年第 8 期

封面文章

单根镓掺杂氧化锌微米线异质结基高亮黄光发光二极管增强出版
徐海英,刘茂生,姜明明,缪长宗,王长顺,阚彩侠,施大宁
2022, 43(8): 1165-1174. DOI: 10.37188/CJL.20220171

摘要：基于半导体低维微纳结构构筑的可见光发光器件，特别是位于500 ~ 600 nm波段的黄绿光光源，因具有较高的发光效率、长寿命和低功耗等特点，在超高分辨率显示与照明、单分子传感和成像等领域有着广泛的应用价值。由于高性能低维黄绿色发光器件在发光材料制备、器件结构以及发光器件的 “Green/yellow gap”和 “Efficiency droop”等方面受到严重限制，极大地影响了低维微纳结构黄绿光发光器件的开发和应用。本文采用单根镓掺杂氧化锌（ZnO∶Ga）微米线和p型InGaN衬底构筑了异质结基黄光发光二极管，其输出波长位于580 nm附近，半峰宽大约为50 nm。随注入电流的增加，光谱的峰位和半峰宽几乎没有任何变化，也没有观察到InGaN基光源中常见的量子斯塔克效应。器件相应的色坐标始终处于黄光色域范围。更为重要的是，器件的外量子效率在大电流注入下并没有出现较大的下降。结合单根ZnO∶Ga微米线和InGaN的光致发光光谱，以及n‐ZnO∶Ga/p‐InGaN异质结能带结构理论，可以推断该制备器件的发光来自于ZnO∶Ga微米线和InGaN结区界面处载流子的辐射复合，器件的Droop效应得到明显抑制。实验结果表明，n‐ZnO∶Ga微米线/p‐InGaN异质结可用于制备高性能、高亮度的低维黄光发光二极管。
关键词：黄光发光二极管;镓掺杂氧化锌微米线;铟镓氮;外量子效率;Droop效应

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发布时间：2022-10-19

发光学基础知识

Mn⁴⁺离子光谱学基础增强出版
姬海鹏
2022, 43(8): 1175-1187. DOI: 10.37188/CJL.20220102

摘要：介绍了Mn⁴⁺离子发光光谱学的一些基础知识，包括如何确定Mn⁴⁺自由离子的光谱项和如何确定Mn⁴⁺离子各光谱项在八面体晶体场中的劈裂等。最后就如何理解Mn⁴⁺激活荧光粉的荧光光谱（比如如何确定各跃迁的零声子线位置、如何调节发射光子能量等）进行了讨论。
关键词：Mn⁴⁺;发光光谱学

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发布时间：2022-10-19

材料合成及性能

氯化钠/铯铅溴钙钛矿复合薄膜的原位制备及性能增强出版
戴克城,翟玥,吴娜,梅航,张宏,邾强强,王乐
2022, 43(8): 1188-1197. DOI: 10.37188/CJL.20220129

摘要：全无机铯铅卤钙钛矿因其优异的光电性能受到广泛关注。然而，薄膜较差的稳定性和制备中大量昂贵且有毒有机溶剂的使用，严重阻碍了其商业化应用进程。在本工作中，水溶液被用作配制含氯化钠（NaCl）的钙钛矿前驱液的溶剂。通过一步溶液法获得原位生长的NaCl/CsPbBr₃钙钛矿复合薄膜，并在该过程中引入二甲基亚砜（DMSO）溶液来优化其晶体结构及光学性能。研究表明，NaCl和DMSO的协同作用可以调控复合薄膜中晶粒的形貌、提高相纯度并增强荧光发射。当DMSO和前驱体溶液体积比为1∶2时，复合薄膜呈现出最佳的绿光发射，荧光量子效率达48.2%。此外，得益于NaCl的有效复合及优化的晶体结构，所制备的复合薄膜具有增强的稳定性。该设计思路有利于制备柔性、大面积和高稳定性显示用荧光转换薄膜。
关键词：钙钛矿薄膜;原位合成;氯化钠;发光性能;稳定性

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发布时间：2022-10-19
环境友好型Cs₃MnBr₅材料的制备及发光性能增强出版
陈一凡,李江涛,余启辉,陈禹丞,蒋越宁,李旭,王凤和
2022, 43(8): 1198-1206. DOI: 10.37188/CJL.20220132

摘要：无机铅卤钙钛矿CsPbX₃（X=Cl，Br，I）由于具有荧光量子产率高、带隙可调、吸光系数高等优点，在发光器件和光伏器件领域有着广阔的应用前景。但由于重金属铅具有毒性，会对环境及生物造成危害，所以开发无铅钙钛矿及其衍生材料成为研究热点。而在众多材料中，钙钛矿衍生材料——金属卤化物具有种类多、结构类型多、发光性能优等优点。因此本文利用油酸还原法制备了钙钛矿衍生材料Cs₃MnBr₅，该方法具有环境友好、能耗低、产物纯度高、可大批量生产等优点。Cs₃MnBr₅材料在近紫外激发下显示了明亮的绿色发光，峰值位于528 nm，半高宽43 nm，色坐标为（0.25，0.69），色纯度高达92%，荧光量子产率为64.69%，在LED照明领域和显示领域具有商业应用潜力。
关键词：发光二极管;无机钙钛矿;Cs₃MnBr₅;荧光粉

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发布时间：2022-10-19
基于声化学法合成的CsPbBr₃钙钛矿微晶双光子发光特性增强出版
杨敏,岳鹏,廉岚淇,刘绍鼎
2022, 43(8): 1207-1216. DOI: 10.37188/CJL.20220113

摘要：全无机金属卤化物钙钛矿材料的非线性光学效应对构建新型微纳光子器件具有重要意义。本文重点研究了微米尺度CsPbBr₃钙钛矿单晶颗粒的双光子发射特性，实验中基于声化学合成法制备了不同尺寸的CsPbBr₃微晶颗粒，通过对激发光能量密度、波长、偏振的调整，研究了其对双光子发光特性的影响。实验结果表明在室温下CsPbBr₃微晶即具有较强的双光子发光。波长相关的光致发光光谱表明，同一吸收带隙下，其发光峰位相对于单光子发射变化不大，且随着激发波长的增大双光子发射强度逐渐降低。此外，CsPbBr₃微晶颗粒双光子发射具有偏振依赖性行为，偏振角度在0°~360°范围内呈现四重对称性。上述CsPbBr₃微晶的双光子发光特性使其有望用于非线性集成器件。
关键词：CsPbBr₃钙钛矿微晶;光致发光;双光子发光;非线性效应

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发布时间：2022-10-19
辅助配体功能化铱（Ⅲ）配合物近红外电致发光材料的合成及其性能增强出版
陈俊,徐颖,徐超,范伟雪,于俊婷,谭华
2022, 43(8): 1217-1226. DOI: 10.37188/CJL.20220114

摘要：将烷基芴（Fluorene，FL）基团通过柔性烷基链连接到吡啶甲酸（Picolinic acid，pic）上，合成了辅助配体功能化的供体‐受体（D‐A）型铱配合物近红外电致发光材料（CH₃OTPA‐BTz‐Iq）₂Ir（pic‐FL）（TPA：Triphenylamine为三苯胺，BTz：Benzotriazole为苯并三唑，Iq：Isoquinoline为异喹啉）。通过对其紫外‐可见吸收光谱和光致发光光谱研究发现，由于主配体中强D‐A作用的CH₃OTPA‐BTz结构，配合物具有强分子内电荷转移跃迁（Charge transfer transition，ICT）吸收峰和720 nm左右的光致发光峰。与此同时，（CH₃OTPA‐BTz‐Iq）₂Ir（pic‐FL）分子中柔性烷基链和高荧光量子效率芴基团的引入，可以提高材料光致发光效率，改善材料的溶解性能和器件成膜性能，提高电致发光效率。以配合物为发光掺杂剂制备的有机电致发光器件其最大发射峰位于722 nm左右的近红外区域，最大外量子效率（EQE_max）为0.92%，是其母体配合物（CH₃OTPA‐BTz‐Iq）₂‐Irpic器件效率的2.24倍（EQE_max为0.41%@723 nm）。
关键词：铱（Ⅲ）配合物;芴;供体-受体;近红外;电致发光

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发布时间：2022-10-19
自激活LiSr₂Ca₂（BN₂）₃荧光粉的合成与发光性能增强出版
王新然,王凤翔,廖雨,马一智,张钰,王凯旋,周雪莲,朝克夫,那日苏
2022, 43(8): 1227-1235. DOI: 10.37188/CJL.20220217

摘要：自激活发光受到了研究人员的广泛关注，其中硼氮化物缺陷发光材料因毒性低、合成简单、结构多样性等优点，具有成为新一代LED用荧光粉的潜力，但是低热稳定性限制了其实际应用。本文采用高温固相一步法，通过部分取代LiSr₄（BN₂）₃（LSBN）中的Sr，合成了一种新的LiSr₂Ca₂（BN₂）₃（LSCBN）发光材料。采用X射线衍射仪、扫描电子显微镜和荧光光谱仪对荧光粉的相组成、形貌和光学性质进行了表征。结果表明，所制备的样品LSBN为立方晶系，空间群Im‐3m。在紫外区域有较宽的激发带，发射光谱峰值位于561 nm，半峰宽度（FWHM）约为4 504 cm^-1。LSCBN的发光强度是LSBN的的2倍。解释了LSCBN的发光机理，LSCBN荧光粉中存在替代式缺陷，在光激励下形成发光中心。变温光谱显示，150 ℃时，LSBN的发光强度为初始强度的17%，LSCBN的发光强度为初始强度的57%，超过了已报道的其他硼氮化物荧光粉。这种离子取代的方法能有效调控发光波长和增强荧光强度，改善热稳定性，为硼氮化物缺陷材料发光性能的改善提供了新的思路和应用前景。
关键词：硼氮化物;缺陷发光材料;阳离子取代;发光机理

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发布时间：2022-10-19
高真空磁控溅射温度对Ga₂O₃微观结构及光学性能的影响增强出版
赵晶晶,刘丽华,秦彬皓,王海燕,杨为家
2022, 43(8): 1236-1243. DOI: 10.37188/CJL.20220131

摘要：采用高真空射频磁控溅射法在硅Si（111）衬底上沉积氧化镓（β⁃Ga₂O₃），开展了溅射温度对Ga₂O₃微观结构及光学性能影响的研究，利用 X 射线衍射、扫描电子显微镜、荧光光谱仪等测试手段对Ga₂O₃晶体结构、表面形貌及光学性能进行表征分析。实验结果表明，在高纯Ar气环境下，所沉积的Ga₂O₃形貌差异与不同溅射温度下Ga₂O₃生长机理有关，当溅射温度达到300 ℃时，Ga₂O₃发生热分解，形成金属Ga团簇；当溅射温度达到400 ℃时，金属Ga团簇作为催化剂触发Ga₂O₃纳米线的自催化生长。光致发光（PL）光谱中，Ga₂O₃样品在300~700 nm波长范围内显示出4个位于紫光、蓝光、绿光区域的发射峰，在溅射温度为400 ℃下形成的Ga₂O₃纳米线发射峰显著增强，并且发生轻微的蓝移，纳米结构中较大的比表面积以及量子尺寸效应对Ga₂O₃的荧光发射（PL）性能具有重要影响。拉曼光谱（Raman）显示，随着溅射温度升高，Ga₂O₃晶体质量有所提高；在溅射温度为400 ℃下形成的纳米线出现新的拉曼振动模式，并且发生18 cm^-1的蓝移。
关键词：射频磁控溅射;Ga₂O₃;结构性能;光学性能

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发布时间：2022-10-19

器件制备及器件物理

基于氟代苯乙胺有机阳离子的准二维钙钛矿发光二极管增强出版
叶子青,张灯亮,段兴兴,余不凡,邢朝晖,陈江山
2022, 43(8): 1244-1255. DOI: 10.37188/CJL.20220194

摘要：近年来，钙钛矿发光二极管（PeLEDs）发展非常迅速，其性能得到了大幅提升，而构筑具有量子阱结构的准二维钙钛矿是开发高性能PeLEDs的有效方法之一。大尺寸有机阳离子是构成准二维钙钛矿的关键组分，对调节准二维钙钛矿的薄膜结构和光电性质具有重要作用。本文通过在铯铅卤化物（CsPbX₃）钙钛矿中引入两种单氟取代的溴化苯乙胺（o⁃FPEABr（邻位取代）和p⁃FPEABr（对位取代）），采用无反溶剂的一步法制备了准二维钙钛矿薄膜和发光器件，研究了它们对准二维钙钛矿成相分布和器件性能的影响。研究发现，p⁃FPEABr使准二维钙钛矿形成了大量的低维相，特别是具有强激子‐声子耦合的二维相，而高维相含量较少。相反地，o⁃FPEABr能够有效地抑制低维相，并促进高维相的形成，有利于降低非辐射复合和提高辐射复合。形成能计算结果显示，基于p⁃FPEABr的低维相比基于o⁃FPEABr的低维相具有更好的热力学稳定性，导致了准二维钙钛矿中成相分布的差异，表明改变氟原子的取代位置能够调控准二维钙钛矿的结晶动力学过程，进而影响器件的发光性能。基于o⁃FPEABr，我们制备出高效的绿光和蓝光PeLEDs。其中绿光器件的最大外量子效率（EQE）达到了10.27%，发光峰位于521 nm；而蓝光器件的最大EQE也达到了8.88%，发光峰位于488 nm。
关键词：准二维钙钛矿;有机阳离子;氟代苯乙胺;发光二极管

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发布时间：2022-10-19
基于CuSCN/Cs₃Bi₂I₆Br₃纳米薄膜的p‐i‐n型光电探测器增强出版
解国奥,王亚琦,李根,曾敏,黄浩,邓鹤鸣,胡永明,顾豪爽,李岳彬
2022, 43(8): 1256-1265. DOI: 10.37188/CJL.20220165

摘要：卤化铅钙钛矿具有高光吸收系数、长载流子扩散长度和高荧光量子效率等优异光电特性，成为当下光电探测器（PDs）研究领域的热点。但卤化铅钙钛矿的高生物毒性和低环境稳定性制约了该类器件的发展和应用，因此寻找低毒稳定的材料尤为重要。到目前为止，Sn、Ge、Sb、Bi等材料都已得到研究，其中铋基钙钛矿因其稳定、无毒和宽带隙等特性成为候选材料之一。影响PDs性能的因素很多，其中抑制暗电流是提升器件性能的重要手段之一。本文通过溶液旋涂无机化合物CuSCN取代传统PEDOT∶PSS作为空穴传输层（HTL），制备了结构为ITO/CuSCN/Cs₃Bi₂I₆Br₃/ZnO/Ag的p‐i‐n型光电探测器。CuSCN最低未占分子轨道（LUMO）能级为 -1.5 eV，与ITO电子注入势垒高达3.3 eV，远高于PEDOT∶PSS与ITO的电子注入势垒（1.8 eV），反向偏压下工作更能有效阻挡电子从ITO电极的注入，因此降低了探测器的暗电流。器件在自供电条件425 nm单色光照射下光电流达6.87×10^-6A，暗电流低至3.52×10^-11A，开关比超过10⁵，相比于基于PEDOT∶PSS空穴传输层的探测器提升了2个数量级。此外，该探测器的上升和下降时间都小于0.12 s，均优于基于PEDOT∶PSS空穴传输层的探测器，这可归因于CuSCN比PEDOT∶PSS具有更高的载流子传输迁移率。结果表明，ITO/CuSCN/Cs₃Bi₂I₆Br₃/ZnO/Ag结构的光电探测器具有自供电、高开关比、稳定、无毒等优点，为实现商业化提供了一种可行策略。
关键词：无铅钙钛矿;光电探测器;空穴传输层;暗电流

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发布时间：2022-10-19
单片双波长输出垂直外腔面发射激光器增强出版
张志军,陈贺,张建伟,张继业,张卓,周娜,韩召,李文义,冯暖,宁永强,王立军
2022, 43(8): 1266-1272. DOI: 10.37188/CJL.20220195

摘要：报道了利用垂直外腔面发射激光器（Vertical external cavity surface emitting laser，VECSEL）的增益谱与腔模的大失配设计实现VECSEL双波长同时激射的方法，设计了稳定的振荡腔结构，理论预测了这种VECSEL的三种工作状态并进行了实验验证。随着VECSEL泵浦功率增加，增益芯片内部工作温度逐步升高，VECSEL依次出现带边波长激射、双波长激射及腔模波长激射三种工作状态。最初VECSEL的激射波长位于带边模式决定的激光波长（952.7 nm），随着泵浦功率增加，增益芯片热效应增强，腔模波长与带边波长出现模式竞争，此后出现双波长激射现象。双波长峰值强度接近时VECSEL激光输出功率达到359 mW，激光波长分别位于954.2 nm和1 001.2 nm，在该位置附近VECSEL的输出功率曲线呈现明显的二次阈值现象。当泵浦功率持续增加，激光输出波长变为腔模波长激射，激光波长位于1 002.4 nm。在单波长及双波长工作状态下VECSEL的光斑形貌均为高斯形貌的圆形对称激光光束，激光光束发散角半角由5.7°增加到7.9°。这种单芯片双波长输出VECSEL方案未来在抗干扰激光雷达以及频率转换太赫兹激光等方面有着很好的应用潜力。
关键词：双波长面发射激光器;模式竞争;激光雷达;频率转换

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发布时间：2022-10-19
Ag纳米线增强硒微米管/聚噻吩自驱动光电探测器性能增强出版
陈荣鹏,冯仕亮,郑天旭,于平平,姜岩峰
2022, 43(8): 1273-1280. DOI: 10.37188/CJL.20220078

摘要：自驱动光电探测器能够满足现代光电器件对节能和轻质的需求，但复杂的工艺和较高的成本限制了其进一步发展。本文采用旋涂法将硒微米管（Se‐MT）和聚噻吩（PEDOT）制备成Se‐MT/PEDOT异质结，其器件在350~700 nm波长下具有良好的光响应，无偏置电压下的响应度为8 mA/W（500 nm）。为了提高器件的光响应度，利用银纳米线（Ag‐NW）修饰异质结制备Se‐MT/PEDOT/Ag-NW，增强异质结在紫外‐可见光区的光吸收并提高器件的光电性能。与Se‐MT/PEDOT器件对比，Se‐MT/PEDOT/Ag‐NW器件在350~700 nm波长下的光电流数值整体上升，特别是在0 V偏压500 nm光照下，器件的响应度提升至65 mA/W（增强800%），开关比增强400%达到552，上升和下降时间明显下降至15 ms和28 ms。这一结果表明Ag‐NW改性有机/无机异质结的方法可以应用于高性能光电探测器的制备。
关键词：异质结;银纳米线;自驱动;光电探测器

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发布时间：2022-10-19

发光产业及技术前沿

利用原子层沉积技术实现有机电致发光器件的薄膜封装增强出版
刘春艳,王源,殷成雨,李泽,王振宇,范思雨,姜文龙,段羽
2022, 43(8): 1281-1299. DOI: 10.37188/CJL.20220159

摘要：有机电致发光器件（Organic light emitting diode，OLED）具有轻薄、便于携带、自发光、能耗低、亮度更大、柔性显示等特点，可以增加显示产品的附加值，因此被科学和产业界广泛关注。然而，OLED器件中的有机材料对空气中的水汽和氧气十分敏感，若器件在无封装保护的情况下长期在空气中存放，将会严重影响OLED的工作性能和寿命。除了选择合适的传输层材料、表面层结构和利用界面工程提高材料水氧耐受能力之外，对器件进行可靠的封装是隔绝空气中水汽和氧气侵蚀的一种有效手段。原子层沉积（Atomic layer deposition，ALD）是一种已经在实验室验证的有效薄膜沉积封装技术，由于ALD的自限制反应特性，可以在低温下沉积出厚度精确可控且均匀致密的薄膜，利用ALD沉积的薄膜往往拥有良好的机械柔性、超高的阻隔性能和光学透过率。本文将回顾原子层沉积技术的原理，分析ALD制备薄膜的水汽透过率，比较ALD在单层、有机‐无机叠层薄膜封装制备上的技术优势。
关键词：薄膜封装;有机电致发光器件;原子层沉积;柔性显示;水汽透过率

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发布时间：2022-10-19
利用乳糖酸的钝化效应提升K₂SiF₆∶Mn⁴⁺的耐湿性增强出版
万萍萍,杨静,刘红秀,刘德权,周文理
2022, 43(8): 1300-1308. DOI: 10.37188/CJL.20220127

摘要：耐湿性差是掺Mn⁴⁺氟化物红色荧光粉在高稳定性器件应用中面临的一个瓶颈问题。本工作提出利用乳糖酸的钝化效应清除K₂SiF₆∶Mn⁴⁺表面的Mn⁴⁺，重构无Mn⁴⁺的氟化物惰性壳层，以提升其耐湿性。结果表明，经乳糖酸钝化后的氟化物的晶相、形貌及发光强度几乎不变。水浸360 h后，钝化的氟化物的内量子效率为96.9%，远高于未处理的氟化物的59.8%。经乳糖酸处理，水解后的氟化物的内量子产率可以恢复到98.8%。在60 mA驱动电流下，将钝化后的氟化物作为红光成分，封装了相关色温为3 518 K、显色指数为88.5、发光效率为130.61 lm·W^-1的暖白光LED。在高温（85℃）高湿（85%）环境中老化500 h后，该LED器件具有较高稳定性，光效可维持为初始值的90.5%，高于未经处理的氟化物所封装的白光器件（82.3%）。因此，简单的乳糖酸处理可以有效提升掺Mn⁴⁺氟化物的耐湿性。本工作可为高稳定性氟化物红色荧光粉的工业化生产提供借鉴。
关键词：K₂SiF₆∶Mn⁴⁺;耐湿性;惰性壳层;白光LED;乳糖酸

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发布时间：2022-10-19

发光学应用及交叉前沿

单分散CsPbBr₃@SiO₂纳米颗粒制备及其在柔性显示与荧光防伪中的应用增强出版
丁梦宇,郑标,魏维平,陈璐瑶,吴晓苹,洪锦泉,黄春雷,王军
2022, 43(8): 1309-1318. DOI: 10.37188/CJL.20220156

摘要：为了提高钙钛矿纳米晶CsPbX₃（X=Cl， Br， I）在水或热等环境中的稳定性，本文采用热注射法合成了3‐氨丙基‐三乙氧基硅烷（APTES）修饰的CsPbBr₃纳米晶，在此基础上，以正硅酸四甲基酯（TMOS）为硅源制备了CsPbBr₃@SiO₂核壳结构纳米颗粒。通过X射线衍射、透射电子显微镜和荧光光谱仪等测试手段对样品的结构、形貌、光谱特性及稳定性等进行了分析。结果表明，CsPbBr₃纳米晶表面形成了SiO₂壳层，同时，CsPbBr₃@SiO₂纳米颗粒仍保持优异的光学性能。更重要的是，SiO₂壳层显著提高了CsPbBr₃的水、热稳定性，CsPbBr₃@SiO₂在60 ℃加热30 min后发光强度可以保持初始强度的81%，浸水100 min后发光强度仍保持初始强度的75.2%。此外，我们设计了CsPbBr₃@SiO₂‐聚二甲基硅氧烷（PDMS）复合薄膜，实现了CsPbBr₃@SiO₂在柔性显示与荧光防伪方面的应用，有望为柔性显示和荧光防伪材料的开发提供参考。
关键词：钙钛矿纳米晶;核壳结构;光学性能;柔性显示;荧光防伪

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发布时间：2022-10-19

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