稀土摻雜半導(dǎo)體納米發(fā)光材料研究取得新進(jìn)展

稀土摻雜TiO2納米晶敏化發(fā)光和上轉(zhuǎn)換發(fā)光示意圖
    稀土離子和半導(dǎo)體納米晶（或量子點(diǎn)）本身都是很好的發(fā)光材料，二者的有效結(jié)合能否生出新型高效發(fā)光或激光器件一直是國內(nèi)外學(xué)者關(guān)注的科學(xué)問題。與絕緣體納米晶相比，半導(dǎo)體納米晶的激子玻爾半徑要大得多，因此量子限域效應(yīng)對(duì)摻雜半導(dǎo)體納米晶發(fā)光性能的影響變得很顯著，從而有可能通過尺寸調(diào)控來設(shè)計(jì)一些具有新穎光電性能的發(fā)光材料。同時(shí)由于稀土離子和基質(zhì)陽離子的離子半徑差異大，電荷不匹配，三價(jià)稀土離子一般很難以替代晶格位置的形式摻入半導(dǎo)體（如ZnO和TiO2）納米晶中。目前，國內(nèi)外研究結(jié)果大都只能得到稀土在半導(dǎo)體納米晶表面或近表面的弱發(fā)光。如何實(shí)現(xiàn)稀土離子的體相摻雜是目前這類材料面臨應(yīng)用的瓶頸，也是制備新材料面臨的挑戰(zhàn)。
    在科技部863和973計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金、中科院“百人計(jì)劃”、福建省杰青項(xiàng)目等支持下，中科院福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所中科院光電材料化學(xué)與物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室陳學(xué)元研究員課題組在稀土摻雜半導(dǎo)體納米晶研究方面取得新進(jìn)展。該研究小組采用一種巧妙的技術(shù)路線，成功實(shí)現(xiàn)了稀土離子在TiO2納米晶中的體相摻雜，在銳鈦礦型TiO2球狀多晶聚集體中觀測到稀土離子的尖銳強(qiáng)發(fā)光。通過低溫高分辨熒光光譜實(shí)驗(yàn)，對(duì)Er3+在TiO2納米晶中的局域電子結(jié)構(gòu)和晶體場能級(jí)進(jìn)行了系統(tǒng)的分析和計(jì)算，首次實(shí)驗(yàn)確定了占據(jù)單一格位的Er3+在銳鈦礦TiO2中的全部晶體場參數(shù)。
    這些結(jié)果對(duì)于研究其它稀土離子在二氧化鈦半導(dǎo)體納米晶中的光譜性能以及局域結(jié)構(gòu)等有重要意義。研究成果9月20日在線發(fā)表在Small（DOI: 10.1002/smll.201100838）上。
    此前，該研究小組利用銪離子為光譜學(xué)探針，證實(shí)了Eu3+在TiO2中多格點(diǎn)位置以及Eu3+的局域結(jié)構(gòu)對(duì)稱性從原先的D2d降低到D2和C2v的事實(shí)（J. Phys. Chem. C, 2008, 112, 10370）；在Sm3+、Nd3+摻雜的TiO2納米晶中，實(shí)現(xiàn)了從TiO2基質(zhì)到Sm3+和Nd3+的高效能量傳遞（J. Phys. Chem. C, 2009, 113, 8772）；在稀土摻雜ZnO（Opt. Express, 2009, 17, 9748; J. Phys. Chem. C, 2008, 112, 686)、SnO2 （Opt. Lett. 2009, 34, 1873）、In2O3（J. Phys. Chem. C,2010, 114, 9314）等半導(dǎo)體納米發(fā)光材料的研究中也取得了系列進(jìn)展。