新体系将量子点固有的表面缺陷“变废为宝”

近日，中国科学院大连化学物理研究所吴凯丰研究员团队与香港科技大学何山博士、湖北文理学院梁桂杰教授等合作，开发了硒化锌（ZnSe）基量子点热延迟发光新体系，并揭示了表面缺陷态介导的热延迟发光新机制。研究团队进一步将量子点的热延迟发光拓展至紫光区间，为设计高能光子驱动的光化学反应的光敏剂提供了新思路。相关成果发表在《美国化学会志》和《德国应用化学》上，并被后者期刊选为VIP文章。

量子点因其优异的光学特性，例如高消光系数和可调谐吸收/发射波长等，在光电领域备受瞩目。然而，受限于材料本身的性质，量子点的激子寿命一般处于纳秒级，制约了其在诸如光化学反应等涉及较长时间尺度过程中的应用。如何突破量子点寿命的极限，拓展其应用范围，成为该领域的重要科学问题。

近年来，量子点-分子杂化体系因其独特的三线态能量转移机制，被认为是延长量子点寿命的有效策略。通过增加量子点与表面受体分子之间的电子耦合强度，构建低驱动力且高效传能的体系，可以实现量子点激子态与分子三线态之间的可逆能量交换。这种热延迟发光机制可以将量子点的激子寿命延长至100微秒量级。

在本工作中，研究团队构建了低毒性的ZnSe量子点-联苯羧酸杂化体系，采用变温时间分辨光谱技术揭示了其中的热延迟发光机制，将量子点热延迟发光的波段扩展到了紫光区间。得益于其超长激发态寿命与高激发态能量，该体系在光化学领域展现出优异性能，可以实现蒽醌还原、交叉脱氢偶联、[2+2]环加成、光异构化四种光化学反应，反应效率远超前期文献报道的其他量子点-分子热延迟发光体系。

在上述工作基础上，研究团队进一步简化结构，用量子点的表面缺陷态替代分子三线态，提出了一种全新的量子点热延迟发光机制——表面缺陷态介导的热延迟发光。一般而言，量子点表面缺陷态会捕获激子或电荷，导致发光猝灭，因此，大量研究工作致力于通过构建核、壳结构，以及优化配体等策略钝化缺陷。然而，本工作巧妙地利用量子点缺陷态的长寿命特性，创新性地通过洗涤法在ZnSe基量子点表面引入特定的浅缺陷态，实现缺陷态对激子态能量的快速捕获和热活化释放，从而获得100微秒量级的热延迟发光，延迟时间的提升幅度与ZnSe-联苯羧酸体系的激子寿命相当。因此，该体系在光子上转换和光化学反应中也展现出优异性能。

该成果不仅简化了设计体系，而且将量子点固有的表面缺陷 “变废为宝”，用于激发态寿命调控。

相关论文信息：https://doi.org/10.1021/jacs.5c00138；https://doi.org/10.1002/ange.202423960