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              我所納米晶敏化三線態動力學研究及其光子上轉換應用取得新進展

                近日,我所光电材料动力学特区研究组(11T6组)吴凯丰研究員团队落实了基于具有自缺陷激子的CuInS2納米晶敏化的高效三線態-三線態湮滅(TTA)光子上轉換(UC)。此工作不僅闡明了被缺陷態捕獲的激子可以實現有效的三線態能量轉移,也展示了首例用無毒(不含Pb、Cd)納米晶敏化的TTA上轉換體系。相關成果發表于《美國化學會志》(J. Am. Chem. Soc.)上。

                分子的自旋三線態在諸多領域具有关键的應用,如光催化有機合成、光生物學,以及光子上轉換等。其中,基于TTA的光子上轉換因有望使太陽能轉換效率突破傳統的Shockley-Queisser極限而備受關注。由于常見分子三線態躍遷禁阻,其生成频繁需求借助敏化劑敏化。半導體納米晶因具有較強吸光能力、可調吸收波長等優異性能,近年來被發展爲一種新型的三線態敏化材料。

                納米晶對分子的三線態敏化通常被認爲以Dexter能量轉移機制進行。該研究團隊的前期工作表明,三線態能量轉移(TET)速率和納米晶的表面載流子密度成線性關系(J. Am. Chem. Soc. 2019;J. Phys. Chem. Lett. 2019)。若要實現快速的三線態能量轉移,能量給體和受體的載流子波函數必須要發生有效的交疊。而在大部分納米晶中,由于其較大的比表面積,缺陷態普遍存在,被缺陷態捕獲的激子具有局域性,從而與分子三線態的波函數交疊會被削弱。因此,局域的缺陷態激子是否可以進行有效的三線態能量轉移一直是一個難題。

                爲解決上述難題,該研究團隊在本工作中采用三元的CuInS2納米晶作爲模型體系進行三線態能量轉移研究。這類納米晶的光生空穴在亞ps時間尺度會被帶隙內的Cu缺陷態捕獲,而電子仍然存在于帶邊,這樣的光生“自缺陷激子”既有缺陷態激子的局域特性又有明確的能級排布,是一個非常理想的研究體系。科研人員通過光譜動力學研究發現,盡管CuInS2的三線態能量轉移速率很慢,但由于自缺陷激子的長壽命,三線態能量提取效率仍可達92.3%。在此基礎上,科研人員實現了首例無毒CuInS2納米晶點敏化的TTA光子上轉換體系,上轉換效率高達18.6±0.3%。

                該工作首次研究了納米晶缺陷態對三線態能量轉移的影響,同時也展示了首例用無毒納米晶敏化的TTA上轉換體系,這對于深入理解納米晶點-分子體系三線態能量轉移機理,實現有效的三線態能量轉移,優化和開拓分子三線態的實際應用具有关键的意義。

                该工作得到中科院战略性先导项目、国家重点研发计划、兴辽英才计划等项目资助。(文/图 韩瑶瑶)

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