Small: 表面等离激元诱导纳米晶体快速转变

具有高质量晶体结构的基质材料是稀土离子发光的重要保障,作为一种理想的基质材料稀土氧化物单晶因其超高的熔点和物理化学稳定性,及优异的晶体结构,被广泛应用于航空显示器、X射线增感屏,信息通讯等高科技领域。但以传统方法获得高品质稀土氧化物单晶微纳材料一直是个难题,制备过程中苛刻的生长条件,长时间高温退火处理,晶体生长不易控制,产物单分散性差等因素阻碍了这种优异的发光材料在实际中的应用。

陕西师范大学物理学与信息技术学院郑海荣课题组以一种简单的方法在可见光照射下成功获得了单晶亚微米颗粒,且该方法不仅适用于稀土掺杂微纳材料,而且可用于其他无机纳米材料的快速晶体转变。金纳米颗粒在可见光激发下产生的等离激元热和催化效应,可促使多晶氟化物快速转变为单晶氧化物。材料转变过程伴随着组成成分的变化和晶体结构的优化,并带来产物光谱特性的明显提升,不仅发光的单色性变好,发光强度也得到了显著增强。即使是辐照激光低至1毫瓦以下,依然能诱导材料的转变。将该方法与传统退火方法进行对比,发现借助等离激元效应仅在的可见光辐照25ms(~20mW)的条件下得到的产物,要比几百度高温退火处理一小时后所得产物的晶体结构和光学特性更优异。并且,即使继续提升退火温度到一千度以上也无法得到类似光照条件下所得的理想的单晶结构。令人惊喜的是,得益于等离激元热效应的局域特性,该方法还适用于促使晶体材料在低温环境中的转变,且仅需几毫瓦的激光功率便可实现晶体的快速转变。由于等离激元共振对激发光频率的依赖,在共振光的辐照下,材料的转变效率最高。除此之外,通过调整辐照激光的功率,金纳米颗粒的密度,尺寸等均可对材料转变过程进行调控。研究者利用铕离子的荧光光谱为探针,揭示了晶体从多晶氟化物到单晶氧化物的转变动力学过程,以及等离激元催化的转变机理。等离激元驰豫过程产生的热效应及热电子催化的活化氧协同作用,促使材料的氧化和晶体结构的优化。研究还发现氟化物发生转变的第一阶段对环境温度的依赖关系不明显,这证明小尺寸金颗粒具有较高的产热效率和催化效率。

研究者相信,此项研究将会为单晶微纳材料的原位快速制备,微纳晶体材料快速转变的研究打开一扇窗户,并为等离激元催化在微纳材料领域的应用提供新的思路。相关论文在线发表在Small (DOI: 10.1002/smll.201901286)上,并于当期Back Cover做简要介绍。