大連化物所納米晶三線態(tài)能量轉(zhuǎn)移動力學(xué)研究取得新進(jìn)展

　　近日，中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所光電材料動力學(xué)特區(qū)研究組研究員吳凱豐團(tuán)隊基于量子限域的CsPbBr3納米晶與多環(huán)芳烴分子構(gòu)建模型異質(zhì)結(jié)，并結(jié)合穩(wěn)態(tài)和飛秒瞬態(tài)光譜，揭示了該體系內(nèi)納米晶量子限域效應(yīng)主導(dǎo)的三線態(tài)能量轉(zhuǎn)移動力學(xué)過程，清晰地展示了轉(zhuǎn)移速率對納米晶載流子表面概率密度的線性依賴關(guān)系。相關(guān)成果發(fā)表于《美國化學(xué)會志》（Journal of the American Chemical Society）上。

　　多環(huán)芳烴的三線態(tài)敏化在光子上轉(zhuǎn)換和光催化有機(jī)合成等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用。光子上轉(zhuǎn)換可減小太陽能轉(zhuǎn)換中的低能光子透過損失，有望使轉(zhuǎn)換效率突破傳統(tǒng)的Shockley-Queisser極限。三線態(tài)敏化的一般途徑為：含重金屬的敏化劑分子受光子激發(fā)后通過系間竄越產(chǎn)生敏化劑分子的三線態(tài)，此三線態(tài)再通過能量轉(zhuǎn)移產(chǎn)生多環(huán)芳烴的三線態(tài)。然而，敏化劑分子的系間竄越會帶來較大的能量損失（≥0.5eV），降低上轉(zhuǎn)換過程的有效增益（上轉(zhuǎn)換光子與激發(fā)光子的能量差）。近年來，半導(dǎo)體納米晶作為三線態(tài)敏化材料開始受到廣泛的關(guān)注。與傳統(tǒng)的敏化劑分子不同的是，納米晶具有較弱的電子-空穴交換作用，明態(tài)-暗態(tài)能量分裂極?。◣讉€meV），所以幾乎不存在系間竄越能量損失。因此，納米晶作為三線態(tài)敏化材料可最大化光子上轉(zhuǎn)換過程的有效增益。然而，由于其較大的尺寸和復(fù)雜的內(nèi)部和表面態(tài)電子結(jié)構(gòu)，從納米晶到多環(huán)芳烴的三線態(tài)能量轉(zhuǎn)移機(jī)理可能不同于傳統(tǒng)的敏化劑分子，到目前為止文獻(xiàn)中都缺乏深入系統(tǒng)的研究。比如，最近的研究大多采用熒光量子產(chǎn)率很低的半導(dǎo)體納米晶（如CdSe和PbS等）作為敏化材料，且將能量轉(zhuǎn)移速率的影響因素籠統(tǒng)地歸因于納米晶尺寸相關(guān)的能量轉(zhuǎn)移驅(qū)動力和光譜重疊。

　　吳凱豐研究團(tuán)隊提出，近期在光伏和發(fā)光應(yīng)用領(lǐng)域廣受關(guān)注的鈣鈦礦納米晶也是一類理想的三線態(tài)敏化材料，因其具有較高的熒光量子效率（≥60%）和對稱的載流子波函數(shù)分布，可用于構(gòu)建模型體系，探索納米晶三線態(tài)能量轉(zhuǎn)移的主要影響因素。光譜動力學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，納米晶尺寸相關(guān)的能量轉(zhuǎn)移驅(qū)動力和光譜重疊對轉(zhuǎn)移速率的影響極小；相反，納米晶的波函數(shù)表面分布在三線態(tài)能量轉(zhuǎn)移過程中起主導(dǎo)作用，其速率隨尺寸相關(guān)的載流子表面概率密度（波函數(shù)平方）呈線性關(guān)系。納米晶尺寸越小，量子限域效應(yīng)越強，載流子在納米晶表面的波函數(shù)分布越大，越能有效地與吸附于納米晶表面的多環(huán)芳烴進(jìn)行波函數(shù)交換從而實現(xiàn)三線態(tài)能量轉(zhuǎn)移。這與三線態(tài)能量轉(zhuǎn)移的Dexter機(jī)理是符合的。

　　該研究首次揭示了納米晶到多環(huán)芳烴分子三線態(tài)能量轉(zhuǎn)移的核心影響因素，對采用納米晶吸光材料驅(qū)動的光子上轉(zhuǎn)換和光催化反應(yīng)具有重要指導(dǎo)意義。此外，該研究也表明，雖然在光伏和發(fā)光應(yīng)用領(lǐng)域鈣鈦礦材料的量子限域效應(yīng)未受關(guān)注，但在三線態(tài)敏化等應(yīng)用領(lǐng)域量子限域?qū)︹}鈦礦材料是不可或缺的。

　　該工作得到國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金等的資助。