高压下Cd,In,Pb基半导体纳米晶结构、性质及荧光增强效应的研究

This project selects binary fluorescent semiconductor nanocrystals as the research object, such as the II-VI group (CdS, CdSe, CdTe), the III-V group (InP, InAs) and the IV-VI group (PbS, PbSe PbTe). High pressure experiments will be carried out using a symmetric diamond anvil cell (DAC). These samples will be studied by in-situ high pressure time-resolved and steady-state fluorescence spectroscopy, in-situ high pressure UV-Vis-NIR absorption spectroscopy, and in-situ high pressure synchrotron X-ray diffraction experiment. Ab initio calculations will also be performed to account for the high pressure experimental results. This project aims to explore the intrinsic link and physical nature of semiconductor nanocrystals which have different morphology, size, structure, and properties; obtain an in-depth understanding of the high pressure band structure and electronic behavior; focus on looking for the method under high pressure to improve the quantum efficiency and try to reserve it to ambient pressure. Through the implementation of the project, it can not only improve our understanding of the semiconductor nanocrystals but also get some innovative research results with independent intellectual property rights. This project will play a positive role in promoting the crossover study of high pressure science and nanomaterial science.

本项目以有机相方法合成的Cd基(CdS, CdSe, CdTe)、In基(InP, InAs)和Pb基(PbS, PbSe, PbTe)等典型二元荧光半导体纳米晶为研究对象，利用金刚石对顶砧压机进行加压，采用原位高压瞬态荧光光谱、原位高压紫外-可见-近红外稳态荧光光谱、原位高压紫外-可见-近红外吸收光谱、原位高压同步辐射X光衍射等多种原位高压测量技术，结合理论计算模拟，探索高压下半导体纳米晶形貌、尺寸、结构与性质的内在联系和物理本质，深入理解高压对半导体纳米晶能级结构及电子状态的调控作用，重点寻找高压下提高半导体纳米晶发光效率的有效方法，尝试将高压状态的纳米晶"截获"到常压，从而获得新型高效发光半导体纳米晶。通过该项目的实施不仅可以加深对半导体纳米晶物理本质的理解，而且有望获得一些具有自主知识产权的创新性研究成果，为我国高压科学和纳米材料科学的交叉研究提供新的思路。

设计并合成了多种半导体纳米晶，利用金刚石对顶砧压机进行加压，采用多种原位高压测量技术，结合理论计算模拟，探索高压下半导体纳米晶形貌、尺寸、结构与性质的内在联系和物理本质，深入理解高压对半导体纳米晶能级结构及电子状态的调控作用。例如，我们发现CdSe纳米片和其纳米晶相比，有着更高的相变压力及卸压后不可逆的荧光和吸收光谱，这些不同之处可以归于其独特的几何形状和表面“软”配体的包覆形式。我们发现用脂肪酸作为配体包覆的CdSe量子点在高压下有着反常并且剧烈的荧光增强过程，而且这种荧光增强的范围几乎可以覆盖整个可见区域，尤其是可以获得明亮的蓝色荧光。我们还对魔力尺寸Cd3P2纳米晶，近红外发光的Ag2S纳米晶和PbSe自组装超晶格进行了高压研究。实验结果表明，高压是一个独特并且有效的荧光增强方法，不但可以调控荧光的波长，而且可以控制荧光增强的强度。我们还利用高压手段制备了体材料中所不存在的高压新相B31-MnS纳米晶，解决了长久以来悬而未决的RS-MnS高压相结构的难题，而且这个高压新相可以被成功地“保存”至常温常压下。我们还发现了分级结构的拓扑绝缘体Bi2Te3纳米材料的相变压力点比其体材料降低了10 GPa，这是由于纳米材料相变时大的体积坍缩和存在的内禀替代点缺陷导致的。我们也把锆石型ABO4氧化物纳米材料作为研究对象，如磷酸钇纳米颗粒、磷酸钒酸钇固态互溶体纳米颗粒和钒酸镧纳米棒等，对它们进行了压致结构相变序列、压缩性和光谱特性的研究。通过研究高压下这些纳米材料结构稳定性、光学性质变化及荧光增强规律和将高压相“保存”到常压的方法，我们的研究不仅可以加深对纳米材料物理本质的理解，而且为高压科学和纳米材料科学的交叉研究提供新的思路。