近日，中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所光電材料動力學(xué)研究組研究員吳凱豐團(tuán)隊在量子點光化學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域研究中取得新進(jìn)展，揭示了一種量子點自旋馳豫誘導(dǎo)分子三線態(tài)生成的新機制，并探索了該機制的重要應(yīng)用。
傳統(tǒng)意義上，自旋相關(guān)的量子現(xiàn)象研究是物理學(xué)的范疇，但近年來化學(xué)家合成的各類材料也在相關(guān)領(lǐng)域開始備受關(guān)注，其中就包括半導(dǎo)體膠體納米晶（或稱量子點）和金屬鹵化物鈣鈦礦等。這些材料合成工藝簡單、物理化學(xué)性質(zhì)易調(diào)諧，有望為自旋電子學(xué)和量子信息科技的發(fā)展注入新生力量。然而，近期研究工作都表明，目前這些材料的自旋馳豫壽命較短（一般為皮秒量級），其應(yīng)用仍面臨諸多挑戰(zhàn)。
面對上述挑戰(zhàn)，吳凱豐團(tuán)隊另辟蹊徑，提出這種快速的自旋馳豫可應(yīng)用于分子光化學(xué)領(lǐng)域。在光化學(xué)領(lǐng)域中，分子自旋馳豫（稱為系間竄躍）產(chǎn)生的三線態(tài)具有諸多應(yīng)用前景。團(tuán)隊前期基于光激發(fā)量子點，傳能至分子三線態(tài)，并應(yīng)用于高效率的光子上轉(zhuǎn)換。本工作中，不同于先前激發(fā)量子點的常規(guī)途徑，團(tuán)隊創(chuàng)新性地通過激發(fā)有機分子注入載流子到量子點，利用量子點快速翻轉(zhuǎn)載流子自旋，進(jìn)而在后續(xù)的電荷復(fù)合過程高效生成分子三線態(tài)。
大連化物所揭示量子點自旋馳豫誘導(dǎo)分子三線態(tài)生成新機制
團(tuán)隊構(gòu)建了CsPbBr3量子點—羅丹明B（RhB）分子雜化體系。該體系的能級排布類似于type- 異質(zhì)結(jié)，RhB分子的LUMO和HOMO能級的能量分別低于量子點的導(dǎo)帶和價帶邊能級。因此，激發(fā)量子點或分子都可以觸發(fā)有效的電荷分離。在激發(fā)RhB分子時，基于跨時域的瞬態(tài)吸收光譜，團(tuán)隊觀測到分子向量子點價帶注入空穴生成電荷分離態(tài)，隨后電荷分離態(tài)復(fù)合生成RhB三線態(tài)，以及RhB三線態(tài)回到基態(tài)的全部動力學(xué)過程。研究發(fā)現(xiàn)，該三線態(tài)生成的關(guān)鍵在于，CsPbBr3量子點的價帶空穴在皮秒時間尺度發(fā)生自旋翻轉(zhuǎn)，而量子點—分子電荷分離態(tài)的復(fù)合在納秒時間尺度，因此自旋馳豫的三線態(tài)復(fù)合路徑占據(jù)主導(dǎo)地位。換言之，可利用量子點快速翻轉(zhuǎn)自旋，使本身無法發(fā)生有效系間竄越的RhB這類分子高效生成自旋三線態(tài)。這與傳統(tǒng)的重元素誘發(fā)系間竄越截然不同，因為后者不牽涉這些電荷分離和復(fù)合過程。
團(tuán)隊表示，該機制原則上適用于滿足電荷分離態(tài)能量高于分子三線態(tài)能量、電荷復(fù)合速率慢于量子點自旋翻轉(zhuǎn)速率的兩個條件的任何體系，有望在分子三線態(tài)相關(guān)的光化學(xué)領(lǐng)域取得廣泛的應(yīng)用。此外，在應(yīng)用層面，考慮到激發(fā) CsPbBr3量子點和激發(fā)RhB分子的路徑都可在雜化體系中高效生成RhB分子三線態(tài)，且兩者的吸收光譜剛好互補，團(tuán)隊展示了寬帶近白光驅(qū)動的高效光子上轉(zhuǎn)換及單線態(tài)氧生成。
該工作以“Spin-enabled Photochemistry Using Nanocrystal-molecule Hybrids ”為題，于近日發(fā)表在《化學(xué)》（Chem）上。該工作的第一作者是大連化物所博士研究生劉萌。上述工作得到國家自然科學(xué)基金、國家重點研發(fā)計劃、中科院穩(wěn)定支持基礎(chǔ)研究領(lǐng)域青年團(tuán)隊計劃等項目的資助。
