北师大黄晓鹏CRPS：新型配体助力高质量硒化镉量子点的绿色合成

【导读】  

胶体硒化镉量子点因其在发光二极管、太阳能电池、化学传感器、光催化以及生物成像和标记等领域的应用潜力而受到广泛关注。尽管量子点的可控合成已取得显著进展，但目前高质量量子点的制备仍依赖于严格的无水无氧条件，这在一定程度上限制了其在工业生产中的广泛应用。因此，研究人员正致力于开发更为环保的合成方法，以满足量子点在大规模生产和应用领域不断增长的需求。

在这一背景下，探索有机配体对量子点表面的钝化作用成为了一个关键的研究方向。长链的烷基胺作为一种重要的有机配体，已被发现能显著提升硒化镉量子点的光致发光效率。然而，尽管烷基胺对量子点发光性能的改善作用已被广泛认可，其与量子点相互作用的机制仍不清楚。阐明这一机制对于设计和合成更高效、更稳定的量子点材料具有重要意义，也是实现量子点在各种高科技应用中的关键步骤。 

【成果掠影】

近日，来自北京师范大学的研究人员提出了一种烷基胺钝化量子点的可能模式，即通过与Z型镉羧酸盐形成镉羧酸盐-烷基胺配体（命名为Z^*配体）后再与量子点表面相互作用。通过设计和制备Z^*配体，可以实现了对硒化镉量子点发光效率和稳定性的显著增强。这一发现不仅深化了我们对量子点表面与配体相互作用的理解，而且为在空气条件下合成高发光效率的量子点开辟了新途径，对量子点在光电转换、生物成像等多个领域的应用具有重要意义。相关研究以“Enhancing luminescence efficiency of CdSe quantum dots through the amine-assisted Z-type ligand”为题发表于Cell Press细胞出版社旗下物质学期刊Cell Reports Physical Science上。论文通讯作者为黄晓鹏，论文合作作者包括北师大常青、程成、敖志敏，美国劳伦斯伯克利国家实验室Keon-Han Kim和英国剑桥大学王君鑫等人。通讯单位为北京师范大学文理学院。

【核心创新点】

与传统的Z型、L型和X型配体相比，Z^*配体在减少量子点表面刻蚀效应、提高荧光寿命和荧光效率方面表现更为出色。实验结果表明，Z^*配体能够使量子点的荧光效率提高多达13倍，且在稀释后的溶液中表现了对量子点表面最小的刻蚀效应，有效提升量子点的稳定性。

此外，研究还发现，与传统观点认为长链烷基胺（例如油胺和十六胺）对量子点表面钝化更有效不同，中等链长的烷基胺（如辛胺）在形成Z^*配体时，展现出了更优的荧光增强效果。基于Z^*配体，可以实现在空气条件下合成光致发光量子产率大于55%，半峰宽小于30 nm的硒化镉量子点。

研究团队运用密度泛函理论（DFT）进行计算，深入揭示了Z^*配体在增强量子点荧光效率及提升其表面稳定性方面的机制。模拟结果表明，引入一级胺可以消除由未饱和的表面硒原子引起的缺陷能级，增强配体本身的稳定性及其在量子点表面的吸附能力，同时减弱配体金属中心与量子点表面阴离子的结合，从而更有效地钝化量子点表面。

【数据概览】

图1. 胺辅助的Z型配体（Z^*配体）与量子点表面的作用方式及其对量子点荧光特性的影响

图2. 不同反应时间条件下Z^*型配体与烷基胺对量子点荧光特性（强度与峰位）的影响

图3. Z^*配体的链长与支链结构对量子点荧光特性（强度与峰位）的影响

图4. 探究Z^*型与Z型乙酸镉配体在量子点表面钝化中的作用机制

【成果启示】

这项研究不仅为量子点的表面钝化提供了新的视角，而且有助于推动量子点在发光二极管、太阳能电池、化学传感器、光电子学和生物成像等领域的应用发展。随着量子点合成技术的不断进步，预计未来量子点将在更多领域展现出其独特的优势和潜力。

原文链接：

https://www.cell.com/cell-reports-physical-science/fulltext/S2666-3864(24)00573-3

作者简介：

黄晓鹏，现为北京师范大学文理学院特聘副研究员。瑞士洛桑联邦理工学院博士，英国牛津大学博士后。广东省珠江计划青年拔尖人才，瑞士EPM研究学者，北师大青年英才。从事微纳米胶体材料的可控合成、机理研究及应用。以通讯/第一作者发表在ACS Cent.Sci.、Cell. Rep. Phy. Sci.、Small 和ACS Appl. Mater. Inter.等知名学术期刊发表SCI论文十多篇。相关成果曾受到Science Daily、 Phys.org、 Eurek Alert、Materials Views China等国内外新闻媒体的广泛转载与报道。