Light: science & application丨深圳先進院報道首個偏振發(fā)光0D/2D異質結納米復合材料
近日,中國科學院深圳先進技術研究院碳中和所丁寶福團隊在Light: science & application上,以A multifunctional optoelectronic device based on 2D material with wide bandgap為題撰文,報道了首個0D/2D偏振發(fā)光異質結,為偏振發(fā)光家族增添了新成員。該工作將寬帶隙二維材料的優(yōu)異調光特性和量子點的高效發(fā)光特性進行“聯(lián)姻”,基于構建的0D/2D無機異質結納米復合材料,成功孕育出了偏振發(fā)光特性,并展示了發(fā)光-調光-探測于一體的多功能光學元型器件。
熒光偏振在科學和工程領域有多種應用,包括3D顯示、光學數據存儲、光學生物傳感器和材料結構分析。開發(fā)高效穩(wěn)定的偏振熒光材料具有重要的研究意義和實際應用價值。量子點由幾百個甚至一千個原子組成,作為新晉的諾貝爾獎級材料,重新點燃了大眾的科學興趣。零維量子點由于其納米尺度的量子約束效應,具有非常高的熒光量子效率、顏色純度和顏色可調性。然而,傳統(tǒng)的量子點盡管具有顯著的熒光強度,但其典型特征是幾何和光學各向同性,往往具有非偏振光發(fā)射,在一定程度上限制了熒光量子點在偏振光領域的應用。因此,基于量子點材料系統(tǒng)實現高效和偏振發(fā)光仍然是發(fā)光材料發(fā)展的關鍵前沿和挑戰(zhàn)。
中國科學院深圳先進技術研究所的丁寶福、成會明和王鋒利用“維度聯(lián)姻”的概念將藍色無機碳點耦合到2D納米片上,創(chuàng)造了一個全無機的0D碳點/2D納米片異質結發(fā)光系統(tǒng)(圖1 a-c)。這一成就實現了一種結合高發(fā)光效率和偏振特性的藍色發(fā)光材料的開發(fā),為擴大偏振發(fā)光材料家族提供了一種新的方法。構建的0D/2D異質結構通過化學吸附誘導Ti-O-C鍵的形成,有效地錨定了0D碳點。通過將零維發(fā)光材料缺乏各向異性的高發(fā)光效率與二維材料強大的光偏振調制能力相結合,使兩種低維材料的光學特性互補,從而實現碳點的偏振發(fā)光。此外,利用異質結的二向色吸收,實現了360-385 nm范圍內的紫外光檢測。該方式首次集成偏振光發(fā)射,紫外光檢測和可見光調制的多功能光電器件的構建。
本工作首次引入了全無機異質結構偏振發(fā)光納米復合材料的概念,實現了偏振發(fā)光的突破?;诹孔狱c材料系統(tǒng)實現高效偏振發(fā)光的挑戰(zhàn)已經被巧妙地克服,擴大了偏振發(fā)光材料的家族。此外,集成光發(fā)射、調制和檢測的多功能器件的構建為低能耗、智能或集成光學器件的發(fā)展引入了新思路。這些研究結果有望拓寬包括碳點在內的其他0D量子點的材料特性及其衍生的光學應用。這將為其他類型異質結發(fā)光材料的開發(fā)提供新的視角和方法。在未來,這些材料有望在常見的異質結領域有重要的應用,包括光催化、生物醫(yī)學極化成像和光通信。
深圳先進院博士后許洪瑋為本文第一作者,深圳先進院副研究員丁寶福、成會明院士和王鋒助理研究員為文章共同通訊作者。另外深圳理工大學(籌)研究生劉經煒、深圳先進院研究員唐永炳團隊、博士后魏勝、龔芮、羅杰,以及華南師范大學陳心滿教授研究團隊等也對該工作做出重要貢獻。
該工作獲得了國家自然科學基金、廣東省創(chuàng)業(yè)科研團隊計劃項目、廣東省科技規(guī)劃項目、深圳市基礎研究項目的支持。感謝華南師范大學陳心滿教授團隊和深圳先進院唐永炳研究員團隊對數據收集、分析中的支持與幫助。

圖1 a-c分別是0D/2D納米復合材料的合成與構建; d-f 分別是原器件結構示意圖與發(fā)光調光、光探測性質。
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