稀土掺杂半导体纳米发光材料研究取得新进展

稀土掺杂TiO2纳米晶敏化发光和上转换发光示意图

稀土离子和半导体纳米晶（或量子点）本身都是很好的发光材料，二者的有效结合能否生出新型高效发光或激光器件一直是国内外学者关注的科学问题。与绝缘体纳米晶相比，半导体纳米晶的激子玻尔半径要大得多，因此量子限域效应对掺杂半导体纳米晶发光性能的影响变得很显著，从而有可能通过尺寸调控来设计一些具有新颖光电性能的发光材料。同时由于稀土离子和基质阳离子的离子半径差异大，电荷不匹配，三价稀土离子一般很难以替代晶格位置的形式掺入半导体（如ZnO和TiO2）纳米晶中。目前，国内外研究结果大都只能得到稀土在半导体纳米晶表面或近表面的弱发光。如何实现稀土离子的体相掺杂是目前这类材料面临应用的瓶颈，也是制备新材料面临的挑战。

在科技部863和973计划、国家自然科学基金、中科院"百人计划"、福建省杰青项目等支持下，中科院福建物质结构研究所中科院光电材料化学与物理重点实验室陈学元研究员课题组在稀土掺杂半导体纳米晶研究方面取得新进展。该研究小组采用一种巧妙的技术路线，成功实现了稀土离子在TiO2纳米晶中的体相掺杂，在锐钛矿型TiO2球状多晶聚集体中观测到稀土离子的尖锐强发光。通过低温高分辨荧光光谱实验，对Er3+在TiO2纳米晶中的局域电子结构和晶体场能级进行了系统的分析和计算，首次实验确定了占据单一格位的Er3+在锐钛矿TiO2中的全部晶体场参数。

这些结果对于研究其它稀土离子在二氧化钛半导体纳米晶中的光谱性能以及局域结构等有重要意义。研究成果9月20日在线发表在Small（DOI: 10.1002/smll.201100838）上。

此前，该研究小组利用铕离子为光谱学探针，证实了Eu3+在TiO2中多格点位置以及Eu3+的局域结构对称性从原先的D2d降低到D2和C2v的事实（J. Phys. Chem. C, 2008, 112, 10370）；在Sm3+、Nd3+掺杂的TiO2纳米晶中，实现了从TiO2基质到Sm3+和Nd3+的高效能量传递（J. Phys. Chem. C, 2009, 113, 8772）；在稀土掺杂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）等半导体纳米发光材料的研究中也取得了系列进展。