我國實現鈣鈦礦量子點在低功率密度激發下高效轉換發光

　　全無機鈣鈦礦量子點（CsPbX3, X = Cl, Br, I）具有吸收截面大、熒光量子產率高、發射譜線窄、可調諧熒光發射波長等優異的光學性能，在太陽能電池、發光二極管以及激光等光電器件中展現出了極大的應用前景。然而，相對其優異的線性光學特性，鈣鈦礦量子點的非線性上轉換發光卻受限于多光子吸收發光效率低（< 10-8）的技術瓶頸，需依賴價格昂貴、高功率密度的脈沖激光（>106 W cm-2）如飛秒激光進行激發。如何實現鈣鈦礦量子點在低功率密度激發下的高效上轉換發光一直是國內外學者感興趣的課題，也是該領域的一個重大挑戰。

基于稀土納米晶和全無機鈣鈦礦量子點的輻射能量傳遞上轉換發光調控示意圖

　　中國科學院福建物質結構研究所功能納米結構與組裝重點實驗室陳學元團隊在國家杰出青年科學基金、科技部“973”計劃、中科院戰略性先導科技專項和中科院青促會會員鄭偉主持的國家自然科學基金面上項目、中科院海西研究院“春苗”人才專項等支持下，提出一種輻射能量傳遞上轉換（RETU）新機制，利用稀土納米晶到CsPbX3鈣鈦礦量子點的輻射能量傳遞，首次實現了CsPbX3量子點在低功率半導體激光器（< 102 W cm-2）激發下的高效（10-3―10-2）上轉換發光。團隊通過穩態/瞬態上轉換光譜和上轉換發光絕對量子產率測試等手段，證明了稀土納米晶/CsPbX3量子點復合材料存在非常高效的RETU過程，其內轉換（能量傳遞）效率接近100%。通過CsPbX3量子點的帶隙剪裁可實現可見波段全光譜上轉換發光的連續調控；特別地，團隊還通過剪裁稀土離子的激發態熒光壽命將CsPbX3量子點激子的表觀熒光壽命從ns量級顯著提升到ms量級。超長激子熒光壽命的鈣鈦礦量子點可有效地將光激發瞬間產生的大量激子分布在更長的時間窗口，有利于太陽能電池中電子-空穴對的分離，同時還可望作為時間分辨熒光探針在疾病體外診斷領域發揮重要作用。該方法結合了稀土和鈣鈦礦量子點的發光優點，不僅突破了鈣鈦礦量子點多光子吸收發光效率低的瓶頸，還彌補了稀土離子因能級分立而無法全光譜連續調控的不足。該工作提供了一種上轉換發光調控的新策略，也為全無機鈣鈦礦量子點在光電領域的應用開辟了新的方向。相關結果于8月27日在線發表于《自然-通訊》雜志（Nat. Commun. 2018, 9, 3462. DOI: 10.1038/s41467-018-05947-2）。

　　此前，陳學元團隊在稀土上轉換和鈣鈦礦量子點發光材料的控制合成、光學性能調控和應用研究方面取得了一系列進展。例如，發展了高效CaF2:Yb,Er和LiLuF4:Yb,Tm等多層核殼結構上轉換納米晶，實現對腫瘤標志物suPAR和β-hCG等的高靈敏特異性檢測和腫瘤細胞的靶向熒光成像（Angew. Chem. Int. Ed. 2013, 52, 6671-6676； 2014, 53, 1252-1257； Chem. Soc. Rev. 2015, 44, 1379-1415； Adv. Sci. 2016, 3, 1600197）；提出一種Mn2+摻雜穩定CsPbX3鈣鈦礦量子點的新策略，大幅提高CsPbX3量子點的熱穩定性、空氣穩定性及其LED器件的發光亮度、外量子效率和電流效率（J. Am. Chem. Soc. 2017, 139, 11443-11450）。