高压下结构依赖的硒化镉基核壳纳米晶的量子调控与相变研究

Although scientists have basically clarified the "genetic code" of materials, it cannot prevent people continuing to explore the creation of new materials with superior performance and to find the optimal way to the synthesis of functional materials. This project intends to impose high pressure on structure-dependent CdSe-based (CdSe@MX and CdSe@AO2) core-shell nanocrystals by applying diamond anvil cell. With the help of self built in situ high-pressure steady and time-resolved spectroscopy technology, as well as synchrotron radiation XRD measurements, it is expected to realize the quantum modulation of energy band in CdSe-based core-shell nanocrystals. In addition, we will explore the pressure effects on the quantum yield, energy transfer and carrier relaxation dynamics of CdSe-based core-shell nanocrystals. Besides, what we intend is to establish the relationship between different shell thicknesses and chemical internal pressures applied to CdSe core. Furthermore, it offers the possibility to unravel the regulation of interface strain/stress or chemical internal pressure to the energy level structure, elastic modulus and fluorescence lifetime, and accordingly physical nature with the nanoshell confinement. Finally, we are encouraged to retain the high-pressure state core-shell nanomaterials with great brightness. The project will provide the theory and practical foundation for the deep exploration of this edge interdiscipline of high-pressure nanoscience. It is of great scientific significance for expanding the research of condensed matter at extremes.

尽管科学家已基本弄清组成物质的“基因密码”，但这并不妨碍人们继续探索创造具备优异性能的新物质和寻找创造功能物质的最优途径。本项目拟利用金刚石对顶砧压机对结构依赖的CdSe基（CdSe@MX和CdSe@AO2）核壳纳米晶加压，借助自主搭建的原位高压稳态和时间分辨光谱学技术以及同步辐射XRD测量手段，实现高压下CdSe基核壳纳米晶能带的量子调控，探索不同壳层厚度的CdSe基核壳纳米晶的量子产率、能量转移以及载流子迟豫动力学的压力效应，建立不同壳层厚度对CdSe内核的化学内压的依赖关系，揭示纳米壳层限域条件下，核壳界面应变应力/化学内压对CdSe基核壳纳米晶的能级结构、弹性模量和荧光寿命的调控及其物理本质，尝试“截留”高荧光亮度的高压状态CdSe基纳米核壳材料。本项目的研究为深入开展高压纳米科学这一交叉学科的探索提供理论及实践基础，对拓展极端条件下的凝聚态物质研究具有重要的科学意义。

深入探索特殊结构硒化镉基纳米材料在高压下的新结构、新性质及变化规律，仍面临着一定的机遇和挑战，对推动“极端条件”下的凝聚态物质研究具有重要的科学意义。本项目围绕硒化镉基功能半导体纳米材料为研究对象，主要研究纳米限域体系的高压结构稳定性、形貌变化规律以及光学性质调控和物理本质，探索其结构和壳层厚度的可控制备及奇异压力效应，尝试“截获”具有优异性能的高压新相纳米材料，取得了系列创新性研究成果，共发表标注本项目的第一作者/通讯作者论文35篇，包括Nature Commun.（1篇），J. Am. Chem. Soc.（3篇），Angew. Chem. Int. Ed.（3篇），Adv. Mater.（1篇）和Adv. Sci.（2篇）等高水平学术期刊，3篇论文被选为封面文章，1篇文章入选ESI高被引论文。在本项目的支持下，（1）针对纳米材料压致荧光增强关键科学问题，我们提出通过压力效应钝化表面缺陷、抑制非辐射跃迁的学术思路，设计了一类尺寸可控的油酸包覆纤锌矿硒化镉纳米晶，发现压力可以有效地改变界面能级结构，促进表面配体与硒化镉的相互作用，增加Hirshfeld电荷转移，从而实现了硒化镉纳米晶的荧光大幅度增强近一个数量级。与此同时，硒化镉纳米晶的发射波长在高压下连续蓝移，从而获得了高效率的蓝光硒化镉纳米晶。（2）实现了另一亚稳相结构闪锌矿硒化镉纳米晶的“压力诱导荧光增强”，并首次观测到了压力作为热力学参量的引入，导致闪锌矿硒化镉纳米晶熟化的现象。（3）我们创新性引入压力效应调控能带结构，成功实现了压力下的核壳构型转变，发现高压下准II型CdSe/CdS半导体纳米晶逐渐向I型核壳结构转变。（4）进一步横向探索了其他低维限域体系在高压下新结构和新性质。系列工作为深入研究极端压缩条件下凝聚态物质相变与能级结构和光电性质的构效关系奠定了基础，也为理性设计和可控制备新型功能材料拓展了新思路和新方法。