新體系將量子點固有的表面缺陷“變廢為寶”

近日，中國科學院大連化學物理研究所吳凱豐研究員團隊與香港科技大學何山博士、湖北文理學院梁桂杰教授等合作，開發了硒化鋅（ZnSe）基量子點熱延遲發光新體系，并揭示了表面缺陷態介導的熱延遲發光新機制。研究團隊進一步將量子點的熱延遲發光拓展至紫光區間，為設計高能光子驅動的光化學反應的光敏劑提供了新思路。相關成果發表在《美國化學會志》和《德國應用化學》上，并被后者期刊選為VIP文章。

量子點因其優異的光學特性，例如高消光系數和可調諧吸收/發射波長等，在光電領域備受矚目。然而，受限于材料本身的性質，量子點的激子壽命一般處于納秒級，制約了其在諸如光化學反應等涉及較長時間尺度過程中的應用。如何突破量子點壽命的極限，拓展其應用范圍，成為該領域的重要科學問題。

近年來，量子點-分子雜化體系因其獨特的三線態能量轉移機制，被認為是延長量子點壽命的有效策略。通過增加量子點與表面受體分子之間的電子耦合強度，構建低驅動力且高效傳能的體系，可以實現量子點激子態與分子三線態之間的可逆能量交換。這種熱延遲發光機制可以將量子點的激子壽命延長至100微秒量級。

在本工作中，研究團隊構建了低毒性的ZnSe量子點-聯苯羧酸雜化體系，采用變溫時間分辨光譜技術揭示了其中的熱延遲發光機制，將量子點熱延遲發光的波段擴展到了紫光區間。得益于其超長激發態壽命與高激發態能量，該體系在光化學領域展現出優異性能，可以實現蒽醌還原、交叉脫氫偶聯、[2+2]環加成、光異構化四種光化學反應，反應效率遠超前期文獻報道的其他量子點-分子熱延遲發光體系。

在上述工作基礎上，研究團隊進一步簡化結構，用量子點的表面缺陷態替代分子三線態，提出了一種全新的量子點熱延遲發光機制——表面缺陷態介導的熱延遲發光。一般而言，量子點表面缺陷態會捕獲激子或電荷，導致發光猝滅，因此，大量研究工作致力于通過構建核、殼結構，以及優化配體等策略鈍化缺陷。然而，本工作巧妙地利用量子點缺陷態的長壽命特性，創新性地通過洗滌法在ZnSe基量子點表面引入特定的淺缺陷態，實現缺陷態對激子態能量的快速捕獲和熱活化釋放，從而獲得100微秒量級的熱延遲發光，延遲時間的提升幅度與ZnSe-聯苯羧酸體系的激子壽命相當。因此，該體系在光子上轉換和光化學反應中也展現出優異性能。

該成果不僅簡化了設計體系，而且將量子點固有的表面缺陷 “變廢為寶”，用于激發態壽命調控。

相關論文信息：https://doi.org/10.1021/jacs.5c00138；https://doi.org/10.1002/ange.202423960