中科院上海应物所发现水蒸汽环境下硅量子点的奇异荧光机制

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中国科学院上海应用物理研究所水科学与技术研究室的博士生杨金荣在研究员高嶷和方海平的指导下，运用含时密度泛函理论计算，阐述了水蒸汽环境中硅量子点的奇异荧光机制。相关研究工作近期已发表于《物理化学快报》杂志（J. Phys. Chem. Lett. 2016, 7, 1788-1793）。
当前，硅量子点由于其价格便宜、无毒、生物相容性和硅基电子市场巨大而引起了广泛的研究。尤其是自从1990年发现多孔纳米晶硅样品出现可见光区较强的光致荧光后，各式各样的多孔硅量子点目前已经得到了广泛的应用，如发光二极管、激光器、太阳能电池和荧光生物标签等，这使得硅量子点的发光机理成为当今的研究热点。而水作为无处不在的环境，大量实验数据显示水环境对硅量子点的光学特性具有明显的影响。早先的理论研究主要集中在真空环境下硅量子点的荧光现象，然而实际上大部分实验是在水或潮湿环境下进行的。目前水蒸汽环境下的硅量子点的荧光机制并没有得到足够的认识。
在这项工作中，利用含时密度泛函理论，解释了一个关键问题：在水环境下水分子如何通过影响硅量子点的电子结构，进而导致了其荧光特性的奇异变化。水吸附在硅量子点表面对其吸收光谱的影响几乎可以忽略。相反的是，其荧光光谱显示，水分子的吸附导致了紫外光区域的光谱主峰相比真空环境的荧光光谱红移了大约30 nm。更有趣的是，如下图中所示，当三个水分子和四个水分子团簇吸附在硅量子点表面上时，其荧光光谱展现一个双频带，表现为两个发射峰集中在紫外光区域 ~366 nm和近红外区域 ~510 nm。其背后的物理机制是，三个和四个水分子吸附在硅量子点表面提供了弱弹性反应的环境，导致硅量子点存在自陷态激子。在该项研究中，研究人员不但发现了低潮湿环境下光激发硅量子点出现双频光发射峰的现象，而且进一步分析其几何结构发现二聚体硅硅键被拉长，进而形成一种弱键。
这解释了最近的实验观察：（1）硅量子点在水蒸汽环境中的荧光现象；（2）在氢终端硅电子器件的光诱导降解过程中有大量的弱硅硅键存在的可能原因。此外，从分子尺度理解了水吸附在硅量子点的荧光现象，揭示了水分子与硅量子点之间的相互作用对基于硅涂层的光电子器件具有重要的影响，同时将进一步促进硅量子点在荧光标记和太阳能电池等方面的应用。
该项研究工作得到了国家重点基础研究发展计划、中科院、上海应物所、国家自然科学基金委、深圳超算中心、国家超级计算天津中心和上海超算中心以及NSFC-广东联合基金（第二期）超级计算科学应用研究专项的共同资助和支持。

低潮湿环境下硅量子点表面的双频带

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