魏茨曼科学研究院Adv. Funct. Mater.：上转换半导体纳米晶

【引言】

光子上转换，即吸收较长波长的两个或多个低能量的光子，激发出较短波长的高能量的光学过程，上转换发光材料在生物医学、信息和能源等领域有着巨大的应用前景。现阶段关于上转换材料的研究主要集中在稀土离子掺杂的纳米颗粒和三重态-三重态湮灭上转换（TTA），然而，这两种上转换机理主要依赖于离散的原子、离子或分子内跃迁吸收，这就大大限制了其可吸收的波段，导致其发光和吸收波长的不可调性。半导体量子点具有尺寸和组分依赖的光学特征，紫外到红外可调的吸收和发射波段，高吸收系数和荧光量子产率，以及无机结构的高稳定性，满足了光子上转换在实际应用中所需的所有条件，是一种新型的上转换发光材料体系。

【成果简介】

近日，来自以色列魏兹曼科学研究院物理学院Dan Oron教授课题组的杨高岭博士等人对胶体半导体纳米晶材料的上转换过程及机理进行了深入的研究。通过对比不同材料组分和厚度的核壳纳米晶，他们确定了能带结构和量子限域对上转换效率的影响。相关成果以“Band Gap Engineering Improves the Efficiency of Double Quantum Dot Upconversion Nanocrystals”为题发表在材料领域顶级期刊Advanced Functional Materials。

【图文导读】

图1 能带结构及上转换机理

图2 纳米晶材料表征

（a, d, g）TEM图 (b, c, h) 吸收和荧光光谱图 (c, f, i) 近红外荧光寿命

图3 上转换光学特性

（a, d）上转换光谱图（b, e）上转换荧光激发强度依赖（c, f）上转换荧光产率

图4 壳层厚度对上转换的影响

图5 不同壳厚度的上转换光学表征

（a）吸收曲线（b）荧光寿命（c）上转换荧光

（d）不同壳层寿命变化（e）不同壳层的上转换荧光产率

图6光子上转换连续激光光学特性表征

（a）上转换荧光连续激光强度依赖

（b）上转换荧光产率

【小结】

该工作证明了通过能带调控可以实现长中间态寿命和深空穴能级，二者共同作用大大提高了量子点材料的光子上转换效率，激发强度在500 mJ/cm²量级时，上转换荧光量子产率可达2.17%，是当前量子点上转换材料报道的最高值。同时，通过控制发光层的厚度，进一步证明了长中间态寿命和深空穴能级对光子上转换的影响。上转换量子点荧光产率的提高对其在太阳能吸收，安全密钥，生物标记等方面的进一步应用都有重要的意义。

文献链接：Band Gap Engineering Improves the Efficiency of Double Quantum Dot Upconversion Nanocrystals（Adv. Funct. Mater., 2019, DOI: 10.1002/adfm.201900755）

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/adfm.201900755

本文由以色列魏兹曼科学研究院物理学院Dan Oron教授课题组供稿，材料人编辑部Alisa编辑。

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