宽禁带金属氧化物纳米晶的表面结构控制与缺陷诱导荧光

宽禁带金属氧化物的荧光主要取决于晶体的能带结构（如禁带宽度以及导带/价带位置）。近来，实验研究表明，表面结构（特别是缺陷）对于纳米晶的荧光性能有着重要的影响。本项目拟从宽禁带的金属氧化物无机纳米晶体（如MgO、ZnO、TiO2、SnO2等）的表面控制出发，合成具有特殊并且可调控荧光性质的无机纳米晶体，进而研究纳米晶的荧光特性与裸露晶面类型、低配位原子、配体修饰缺陷等表面结构的相关性，明确引发特殊荧光性质的表面电子结构与转移机制。我们希望通过上述的探索，找到纳米晶体表面结构调控和修饰的一些新方法，总结出缺陷诱导无机纳米晶体特异荧光性质的一些基本规律，为今后设计高发光性能、高稳定性、无毒、低成本的无机纳米荧光材料提供新的思路。

表面结构(特别是表面缺陷)对纳米材料的光、电、催化等物理化学性能有着非常重要的影响，有效地调控表面结构对于优化纳米材料的性质尤为关键。表面结构对于MgO等宽禁带的金属氧化物纳米晶荧光性质的影响主要来源于表面缺陷结构所产生的各种电子表面态：材料受光激发后，除了本征电子跃迁之外，表面态与体相、表面态与表面态之间的电子转移与传递可以产生出某些特异的荧光现象。然而，这种缺陷诱导产生的特殊荧光与表面结构缺陷之间的构效关系至今尚未明确，导致这种情况出现的一个重要原因就是缺乏接近实际体系的模型体系。.本项目从宽禁带的金属氧化物无机纳米晶体（如MgO、ZnO、TiO2、SnO2等）的表面控制出发，合成具有特殊并且可调控荧光性质的无机纳米晶体，进而研究纳米晶的荧光特性与裸露晶面类型、低配位原子、配体修饰缺陷等表面结构的相关性，明确引发特殊荧光性质的表面电子结构与转移机制。经过四年的努力，我们发展了多种调控微纳米晶体表面结构的方法，在此基础上系统地研究了裸露晶面类型、低配位原子、配体修饰缺陷等表面结构特征与材料荧光以及其它表面相关性质之间的构效关系。例如，通过化学刻蚀的方法合成出富含低配位氧的单晶状MgO纳米晶簇，实现了荧光颜色（蓝色→绿色→黄色）和强度的调制，并成功应用于细胞成像；利用不同金属氧化物半导体外延生长时因晶格失配在界面形成结构缺陷，从而诱导产生了强烈的绿光发射，并利用微区阴极荧光技术分析界面缺陷与荧光之间的相关性；利用表面能调控、生长单元过饱和度调控等手段得到了一系列金属氧化物半导体纳米晶，系统研究了不同表面结构对于光照下光生载流子分离以及光催化效率的影响。上述研究为今后设计高稳定性、无毒、低成本的无机纳米荧光功能材料提供新的思路。截止2015年底，在本基金的支持下，本项目组成员在国内外学术期刊上共发表学术论文19篇，其中影响因子>5的论文10篇（包括1篇J. Am. Chem. Soc.，1 篇Acc. Chem. Res.）。