有序紧密组装量子点超粒子增强光电效应

随着纳米材料自组装技术的快速发展,纳米粒子可作为“人工原子”在三维空间内进行有序排列形成,从而形成具有复杂晶体结构的“超晶格”。这种新型的“超晶格”组装材料是否能带来有别于单分散纳米粒子的“集体效应”是当今科学研究的热点。然而纳米粒子作为组装基元,其表面往往被长链有机分子所覆盖,抑制了相邻颗粒间潜在的电子交流。配体去除和配体交换是传统促进电子交流的有效手段,但上述方法不可避免的造成组装结构的崩塌、颗粒的团聚和融合、表面结构的破坏等现象。本研究利用温度控制的乳化自组装法构建了一种有序、紧密排列的三维球形组装体,称为“超粒子”。该组装过程通过对微环境极性的调控实现对配体构象的控制,即从“伸展”变为“倒塌”,并将颗粒平均间距控制在0.3 nm,整个过程并未改变纳米颗粒原有的表面结构(尤其是表面配体结构)。“超粒子”中紧密而有序的排列突破了电子传递的障碍,促进了组装体中量子点的耦合和电子能量转移,实现了组装体的“集体效应”。

晶体是内部质点(原子、离子或分子)在三维空间内周期性有序排列所形成的固体。纳米颗粒亦可作为“人造原子”,通过自组装技术实现对自然界晶体结构的模拟,形成具有周期性有序排列结构的组装体——“超晶格”。“超晶格”不但为研究晶体演变提供了直观的模型,这种独特的超结构更为材料带来了潜在的新性能。迄今为止,已有多种基于不同材料及晶体结构的“超晶格”相继被报道,然而这种新型的组装材料能否产生有别于单体的“集体效应”鲜有报道。其中主要的原因是相邻颗粒表面配体的相互作用是维持复杂组装结构的基础,而有机配体(DNA,高分子化合物,油胺油酸等)本身增加了颗粒间距并阻碍潜在的电子交流。针对该问题,实现颗粒间电子传递的常见处理方法是移除或替换纳米粒子的表面配体。然而这些方法可能造成组装结构的崩塌、纳米粒子的融合与无序堆积、纳米粒子表面结构的破坏等。因此如何在保留纳米颗粒原始表面结构的基础上,减小组装体中的颗粒间距是发挥“集体效应”的关键。

近期,中国科学院化学研究所王铁研究团队利用量子点纳米粒子,通过温度控制的乳化自组装法构建了一种有序、紧密排列的三维球形组装体,称为“超粒子”。该方法保持了纳米颗粒原始的表面结构,利用微环境的极性变化实现了对量子点表面配体构象的控制:伴随着有机相的挥发及乳滴的塌陷,量子点表面的配体由“伸展态”变为“倒塌态”,从而将组装体内平均颗粒间距控制在亚纳米范围(约0.3 nm),量子点以面心立方结构排列形成有序、紧密排列的“超粒子”。这种有序、紧密的排列促进了量子点耦合和颗粒间电子能量转移,并实现独特“集体效应”:与疏松的组装体相比,有序紧密组装的“超粒子”不但改变了激发/发射光谱和荧光寿命,更是将表面光电压提高了约8.5倍,并大幅提高光催化降解有机污染物的效率。

这种构建有序、紧密“超粒子”的方法亦适用于多种不同的纳米粒子,为开发高性能组装材料提供了新思路。相关论文在线发表在Advanced Functional Materials (DOI: 10.1002/adfm.201701982)上,第一作者为罗聃博士和秦肖雲博士。

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