壳层结构对量子点激射的影响及其在超灵敏传感器方面的应用

Quantum dots (QDs) process a wide and continuous excitation, while its color can be tuned based on quantum confinement effects. Compared to the dye molecules, QDs have a brighter emission, and therefore is an ideal light-emitting material. However, due to the large surface-to-volume ratio, there are plenty of dangling bonds at the surface of QDs. In addition, Auger recombination is quite serious in the material system due to the high exciton density. Those non-radiative recombination processes greatly influence their optical properties. The research to be carried out herein will focus on the hetero-structure growth on QDs and the investigation of their optical gain based on laser spectroscopy. Specific studies include: (1) the heterogeneous growth and the formation of core-shell QDs structures; (2) investigate different heterogeneous structures, such as type I, type II and quasi-type II quantum structures, on the luminescent properties of QDs; (3) analysis the carrier dynamics and prepare core-shell QDs with high optical gain; (4) realize lasing from the prepared QDs; (5) take advantage of their advanced optical property and extend their potential applications in ultra-sensitive sensors. This project aims to explore the effects of different core-shell structure on the optical property of QDs, which will provide theoretical support to effectively suppress non-radiative recombination in low-dimensional materials and technical guidance for the development of ultra-sensitive sensing devices.

量子点具有宽且连续分布的激发光谱，可以通过量子限制效应调谐其发光颜色。相比于染料分子，量子点有着较高的发光强度，是一种理想的发光材料。然而，由于大的比表面，量子点的表面存在较多的不饱和键和悬挂键；此外，量子点中激子密度高，俄歇复合较为严重。这些非辐射复合跃迁过程大大影响了量子点的发光性能。本项目以提高CdSe量子点的光增益为目标，利用异质外延技术修饰量子点，并讨论不同壳层结构对量子点光学性质的影响。具体研究内容包括：利用异质材料包覆形成核壳量子点结构；阐明不同的量子结构，如I、II和类II型量子阱结构对量子点发光性质的影响；分析材料体系中载流子动力学过程，制备出具有高增益的核壳量子点并实现其激射，将其延伸到超灵敏传感器方面的应用。本项目旨在探索不同核壳结构对量子点发光性能的影响，为有效抑制低维材料体系中非辐射复合跃迁，提高材料的发光效率，以及高性能传感器件的研制提供理论支持和技术指导。

由于电子的运动在三维空间都受到了限制，半导体量子点拥有与其宏观块材截然不同的物理化学性质。然而，量子点的表面存在许多缺陷态，材料内部激子密度较高，俄歇复合较为严重。本项目以提高硒化镉（CdSe）量子晶的光学性质为目标，基于异质外延技术，在壳层结构量子点材料的制备、光学性质与实际应用等方面取得了一系列的成果：（1）单层材料量子结构方面，我们成功制备了CdSe量子点和准二维纳米片结构材料，证明了纳米片低温发光光谱中低能峰来自于材料的表面态激子发光，较清楚地阐述了材料低温下的发光机理。通过配体交换的方法，油相的CdSe纳米片表面的配体被替换为手性半胱氨酸分子，并基于材料手性实现了水体中铅离子的高灵敏选择性传感。通过直接拉伸法制备出了量子点掺杂的聚合物微纤维，研究了微纤维的光学波导特性，实现了有源光波导结构。（2）双层材料量子结构方面，我们采用三丁基膦（TBP）辅助合成过程，有效减少了核壳结构之间的缺陷，合成了纯红色核壳结构CdSe/CdS量子棒，色域范围达到了105.4% NTSC标准。通过静电纺丝制备含定向排列量子棒增亮膜并将其嵌入液晶显示模组中，辐射照度增加了18.4%。此外，使用半胱氨酸分子作为配体实现了CdSe/CdS 量子棒的水相转移，实现了在第一和第二生物窗口中非常大的双光子和三光子吸收截面，使得材料在双光子荧光寿命成像和光动力学疗法中具有重要的应用价值。（3）三层材料量子结构方面制备了CdSe/CdS/ZnS多壳层量子点材料。多壳层结构的引入，形成了类II型量子阱结构，使得材料中电子和空穴在空间上分离，不仅提高了材料的光稳定性，也减弱了材料的俄歇复合。基于光纤柱状结构，实现了室温回音壁模式的激射。国家自然科学基金为我们提供了施展才华的舞台，成为我们学生成长的重要支持。我们在项目执行期内多次参加国内学术会议并做邀请报告来宣传我们的研究成果，引起国内外众多专家的兴趣。本项目的成功实施为壳层纳米晶材料光学性能的调控和光电器件性能的提高提供新的方法和技术支持。