中国计量大学&香港理工大学ACS Nano：镧系纳米片的光子发射调控与精细光谱结构解析

二维材料凭借独特的物理和化学特性，有助于制备原子级超薄的光电子器件，近年来在全球引起广泛的研究兴趣。在光学性能调控及传感检测方面，二维材料也具有很大的研究及应用潜力。然而二维材料的多彩发光和可控制备依然是研究难题。

为此，中国计量大学白功勋，徐时清教授团队与香港理工大学郝建华教授团队开展合作，在二维光电子材料与器件研究领域取得新进展。在ACS Nano期刊上发表了题为“Ultrabroadband Tuning and Fine Structure of Emission Spectra in Lanthanide Er-Doped ZnSe Nanosheets for Display and Temperature Sensing” （镧系铒掺杂硒化锌纳米片的超宽带光子发射调控与精细光谱结构解析，及其显示与温度传感应用）的研究论文，第一作者为中国计量大学研究生刘源。

论文链接：https://dx.doi.org/10.1021/acsnano.0c07547

团队通过选择宽禁带半导体ZnSe，通过固相烧结加液相剥离法，制备出多彩发光的掺稀土二维纳米片，实现了超大光谱范围的光子发射调控，解析了光谱精细电子能级结构。所制备的掺Er硒化铟纳米片物理和化学性质稳定，具有明显的丁达尔效应，且发光性能优良。

图1 ZnSe:Er块材与纳米片在激光照射下的光学照片以及扫描电子显微镜图片

图2 ZnSe:Er纳米片在980 nm激光照射下的4 K精细发射光谱与对应的电子能级

在近红外光的激发下，所制备的二维纳米片同时实现了上转换与下转换发光，发光范围覆盖紫外-可见-近红外三个区域。通过研究超低温（4 K）精细发光光谱，观测到了在二维尺度下的铒离子丰富的次能级跃迁发射。团队深度解析了镧系铒离子在二维硒化锌基质中的电子能级精细结构。

图3 ZnSe:Er纳米片在近红外980 nm激光激发下和紫外365 nm激光笔照射下的多彩发光

将发光性能优异的纳米片与机械性能优异的光学硅胶PDMS结合，制备出柔性可拉伸的复合材料薄膜器件，可以抵抗液氮温度的处理。随着温度的变化，所制备的器件呈现出从绿色到红色的颜色变化，具有丰富的显示特性。另外，通过构建铒离子的两个次能级跃迁强度比与温度变化的关系，所制备器件展现出了优异的温度传感特性。本工作系统且深入地研究了二维材料的超宽光谱范围的光子发射调控及精细电子能级结构，对于基础物理光学研究及传感检测应用具有重要的价值与意义。

相关工作得到了国家自然科学基金青年项目，浙江两化融合联合基金重点支持项目和浙江省自然科学基金重大项目的资助。

引用方式：Y. Liu, G. Bai, Y. Lyu, Y. Hua, R. Ye, J. Zhang, L. Chen, S. Xu, J. Hao, ACS Nano 2020, 14, 16003−16012