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大連化物所納米晶敏化三線態(tài)動(dòng)力學(xué)研究及其光子上轉(zhuǎn)換應(yīng)用獲進(jìn)展
近日，中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所光電材料動(dòng)力學(xué)特區(qū)研究組研究員吳凱豐團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了基于具有自缺陷激子的CuInS2納米晶敏化的高效三線態(tài)-三線態(tài)湮滅（TTA）光子上轉(zhuǎn)換（UC）。此工作不僅闡明了被缺陷態(tài)捕獲的激子可以實(shí)現(xiàn)有效的三線態(tài)能量轉(zhuǎn)移，也展示了首例用無(wú)毒（不含Pb、Cd）納米晶敏化的TTA上轉(zhuǎn)換體系。相關(guān)成果發(fā)表于《美國(guó)化學(xué)會(huì)志》（J. Am. Chem. Soc.）上。
分子的自旋三線態(tài)在諸多領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用，如光催化有機(jī)合成、光生物學(xué)，以及光子上轉(zhuǎn)換等。其中，基于TTA的光子上轉(zhuǎn)換因有望使太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換效率突破傳統(tǒng)的Shockley-Queisser極限而備受關(guān)注。由于常見(jiàn)分子三線態(tài)躍遷禁阻，其生成往往需要借助敏化劑敏化。半導(dǎo)體納米晶因具有較強(qiáng)吸光能力、可調(diào)吸收波長(zhǎng)等優(yōu)異性能，近年來(lái)被發(fā)展為一種新型的三線態(tài)敏化材料。
納米晶對(duì)分子的三線態(tài)敏化通常被認(rèn)為以Dexter能量轉(zhuǎn)移機(jī)制進(jìn)行。該研究團(tuán)隊(duì)的前期工作表明，三線態(tài)能量轉(zhuǎn)移（TET）速率和納米晶的表面載流子密度成線性關(guān)系（J. Am. Chem. Soc. 2019；J. Phys. Chem. Lett. 2019）。若要實(shí)現(xiàn)快速的三線態(tài)能量轉(zhuǎn)移，能量給體和受體的載流子波函數(shù)必須要發(fā)生有效的交疊。而在大部分納米晶中，由于其較大的比表面積，缺陷態(tài)普遍存在，被缺陷態(tài)捕獲的激子具有局域性，從而與分子三線態(tài)的波函數(shù)交疊會(huì)被削弱。因此，局域的缺陷態(tài)激子是否可以進(jìn)行有效的三線態(tài)能量轉(zhuǎn)移一直是一個(gè)難題。
為解決上述難題，該研究團(tuán)隊(duì)在研究工作中采用三元的CuInS2納米晶作為模型體系進(jìn)行三線態(tài)能量轉(zhuǎn)移研究。這類納米晶的光生空穴在亞ps時(shí)間尺度會(huì)被帶隙內(nèi)的Cu缺陷態(tài)捕獲，而電子仍然存在于帶邊，這樣的光生“自缺陷激子”既有缺陷態(tài)激子的局域特性又有明確的能級(jí)排布，是一個(gè)非常理想的研究體系。科研人員通過(guò)光譜動(dòng)力學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，盡管CuInS2的三線態(tài)能量轉(zhuǎn)移速率很慢，但由于自缺陷激子的長(zhǎng)壽命，三線態(tài)能量提取效率仍可達(dá)92.3%。在此基礎(chǔ)上，科研人員實(shí)現(xiàn)了首例無(wú)毒CuInS2納米晶點(diǎn)敏化的TTA光子上轉(zhuǎn)換體系，上轉(zhuǎn)換效率高達(dá)18.6±0.3%。
該工作首次研究了納米晶缺陷態(tài)對(duì)三線態(tài)能量轉(zhuǎn)移的影響，同時(shí)也展示了首例用無(wú)毒納米晶敏化的TTA上轉(zhuǎn)換體系，這對(duì)于深入理解納米晶點(diǎn)-分子體系三線態(tài)能量轉(zhuǎn)移機(jī)理，實(shí)現(xiàn)有效的三線態(tài)能量轉(zhuǎn)移，優(yōu)化和開(kāi)拓分子三線態(tài)的實(shí)際應(yīng)用具有重要的意義。
該工作得到中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)項(xiàng)目、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、興遼英才計(jì)劃等的資助。
大連化物所納米晶敏化三線態(tài)動(dòng)力學(xué)研究及其光子上轉(zhuǎn)換應(yīng)用取得新進(jìn)展
