环境对量子点单颗粒光谱学性质的影响及机理研究

The spectroscopic properties of single quantum dots, especially fluorescence blinking, largely influence the applications of quantum dots in single molecular tracking and single photon light source. Several kinds of nonblinking quantum dots have been achieved recently, however their only remained the properties in ideal environmental conditions. In a real word application, however, quantum dots are required to possess outstanding spectroscopic properties in various environmental conditions. This project plans to comprehensively and systematically study the environmental effects on the spectroscopic properties of single quantum dots. The environmental factors to be studied include gas, liquid and solid phase conditions. Combining the steady-state and transient spectroscopic properties of quantum dots in both ensemble and single dot levels, one can discover the environmental effect mechanism on spectroscopic properties. Therefore the corresponding physical mechanism model can be founded. According to the mechanism model, accredited quantum dot systems for different applications can be achieved by reasonable design and optimized synthesis.

量子点单颗粒的光谱学性质，特别是荧光闪烁，与量子点在单分子示踪和单光子光源等方面的应用密切相关。目前虽然已经获得了几种非闪烁量子点，但都是在理想的环境条件下实现的。然而在实际应用中，要求量子点在各种环境条件下仍保持优异的光谱学性质。本项目拟全面和系统地研究环境对量子点单颗粒的光谱学性质的影响。其中所研究的环境因素包括气相、液相以及固相的环境。结合量子点在集合体和单颗粒水平上，稳态及瞬态荧光光谱学性质，揭示各环境因素对其光谱学性质的影响机理，建立物理机理模型。根据机理模型，理性设计并合成出符合各种实际应用要求的量子点系统。

量子点是可应用于照明、显示、生物标记等领域的新一代明星发光材料。随着合成化学的发展，目前人们已经能制备出在标准条件下光学性质优异的量子点样品。然而在应用中环境往往对其光学性质的影响巨大。本项目系统研究各主要环境因素对量子点单颗粒光谱学性质的影响，揭示其作用机理，从而根据应用要求理性设计量子点体系。.本项目首先通过优化量子点结构和表面，获得在标准条件下具有接近完美光谱性质的量子点，为研究环境效应提供了理想的模型体系。通过升级和改造原有的量子点单颗粒荧光成像和光谱测量系统，实现了系综和单颗粒光谱同步测量、样品局域环境可调等功能。根据量子点荧光闪烁的光化学过程本质，为量子点“量身定制”闪烁行为定量分析方法，揭示了闪烁机理。利用上述实验技术和分析方法，系统研究了局域介电环境和气氛环境等对量子点单颗粒荧光闪烁行为、稳态和瞬态荧光光谱的影响。研究结果表明，局域光频介电常数通过调节光学态密度，对辐射复合速率有显著调控作用；俄歇非辐射复合本质上是库伦相互作用，因而其速率对局域环境的静电介电常数敏感。根据此机理，我们设计并实现了基元俄歇过程速率均可调控的CdSe/CdS核壳量子点体系。在气相环境效应方面，对于高质量的CdSe/CdS核壳量子点，在氧气环境中，电离速率明显降低从而闪烁被抑制。反映到在系综水平上，即氧气有助于提高发射量子产率。CdSe核量子点体系除有上述现象外，还容易被光氧化刻蚀致使荧光淬灭。系统实验结果揭示了气氛环境对量子点单颗粒和系综光谱性质影响的定量机理，量子点的结构和表面决定其气氛敏感程度。我们由此提出了调控量子点气氛敏感程度的普适策略。.上述几种环境因素对量子点单颗粒光谱学性质的影响的定量机理的揭示，不仅解释了多种常见且对应用影响重大的实验现象，还为理性设计适用于不同应用要求的量子点体系提供了指引。