纳米晶三线态能量转移动力学研究取得新进展

2019-03-12 科学网

  近日,中科院大连化物所光电材料动力学吴凯丰研究员团队基于量子限域的CsPbBr3纳米晶与多环芳烃分子构建模型异质结,并结合稳态和飞秒瞬态光谱,揭示了该体系内纳米晶量子限域效应主导的三线态能量转移动力学过程,清晰地展示了转移速率对纳米晶载流子表面概率密度的线性依赖关系。相关成果发表于《美国化学会志》上。相连接DOI: 10.1021/jacs.8b13180

  多环芳烃的三线态敏化在光子上转换和光催化有机合成等领域具有重要应用。光子上转换可减小太阳能转换中的低能光子透过损失,有望使转换效率突破传统的Shockley-Queisser极限。三线态敏化的一般途径为:含重金属的敏化剂分子受光子激发后通过系间窜越产生敏化剂分子的三线态,此三线态再通过能量转移产生多环芳烃的三线态。然而,敏化剂分子的系间窜越会带来较大的能量损失(≥0.5eV),降低上转换过程的有效增益(上转换光子与激发光子的能量差)。近年来,半导体纳米晶作为三线态敏化材料开始受到广泛的关注。

  吴凯丰研究团队提出,近期在光伏和发光应用领域广受关注的钙钛矿纳米晶也是一类理想的三线态敏化材料,因其具有较高的荧光量子效率(≥60%)和对称的载流子波函数分布,特别适合可用于构建模型体系,探索纳米晶三线态能量转移的主要影响因素。光谱动力学研究发现,纳米晶尺寸相关的能量转移驱动力和光谱重叠对转移速率的影响极小;相反,纳米晶的波函数表面分布在三线态能量转移过程中起主导作用,其速率随尺寸相关的载流子表面概率密度(波函数平方)呈线性关系。纳米晶尺寸越小,量子限域效应越强,载流子在纳米晶表面的波函数分布越大,越能有效地与吸附于纳米晶表面的多环芳烃进行波函数交换从而实现三线态能量转移。这与三线态能量转移的Dexter机理是符合的。

  本项研究首次揭示了纳米晶到多环芳烃分子三线态能量转移的核心影响因素,对采用纳米晶吸光材料驱动的光子上转换和光催化反应具有重要指导意义。研究还表明,虽然在光伏和发光应用领域钙钛矿材料的量子限域效应未受关注,但在三线态敏化等应用领域量子限域对钙钛矿材料是不可或缺的。

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