Small Structures.:壳层钝化效应对镧系离子掺杂纳米晶体发光性能的影响

由于三价镧系离子(Ln3+)具有丰富的4f-4f电子跃迁特性,其掺杂的发光材料长期以来一直备受关注,相关研究推动照明与显示产业取得了长足的发展。自本世纪初以来,纳米领域相关技术的飞速进步对具有纳米尺寸的发光材料提出了巨大的需求,而这一迫切需求也对相关领域带来了机遇与挑战,促使众多研究者致力于开发具有优异性能的Ln3+掺杂纳米发光材料。由于显著的尺寸优势,这些纳米晶体的发光信号可用作探针来监测环境变化或触发集成器件的设计功能,因而为研究科学现象的微观本质提供了宝贵的机会。

尽管如此,相较于体相材料,纳米晶体具有的更大比表面积,促使颗粒表面相关的猝灭过程更易发生,使得Ln3+掺杂纳米晶体发光效率较低。为了解决这个问题,研究者提出通过在纳米颗粒上外延生长惰性材料来缓解表面猝灭过程所带来的负面影响,一般称之为“壳层钝化”,并且这种策略的有效性已得到广泛认可。然而,不同研究者对相关实验结果经常提出看似矛盾的解释,因而限制了对这种策略所涉及的钝化机制进行明确理解。更为重要的是,很少有报道深入挖掘导致这些矛盾产生的真实原因。考虑到纳米材料发光性质易受到环境因素变化的影响,若缺乏对体系中所涉及“构效关系”的清晰认识,相应纳米材料的商业化进程将会受到严重制约。

近日,葡萄牙阿威罗大学石瑞研究员与里斯本科学院Luís D. Carlos院士等合作,对“壳层钝化”效应所涉及的相关问题进行了系统性地讨论。作者首先从概念解读的角度出发,对过去所报道的矛盾观点进行了详细梳理。随后,作者探讨了体系中存在的多种化学无序(例如,壳层厚度分布不均匀性,核/壳元素混杂及核内发光中心不均匀分布)对合理评估“壳层钝化”效应效率的影响。进而,作者从结晶机制的角度分析了引发这些化学无序的原因,并深入论述了所涉及的结晶热力学和动力学过程所带来的影响。作者认为,这些存在于Ln3+掺杂纳米晶体中的化学无序因素很可能是引起过去所报道的观点之间产生矛盾的主要原因。作者指出,为了避免错误解读所观测到的实验现象,清晰了解所研究体系中化学无序的程度及其对体系发光性质的负面影响至关重要。

此项研究对“壳层钝化”效应提出了全新的认识,有助于相关研究者探索开发出性质卓越的新型Ln3+掺杂纳米发光材料。

论文信息:

Understanding the Shell Passivation in Ln3+-Doped Luminescent Nanocrystals

Rui Shi*, Carlos D. S. Brites, Luís D. Carlos*

Small Structures

DOI: 10.1002/sstr.202100194

原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/sstr.202100194