基于等离子体增强上转换发光的窄带1550 nm光探测

近红外光(NIR)探测技术在军事、通信和工业应用中发挥着重要的作用,巨大的市场需求带动了NIR光电探测器(PDs)研究的快速发展。具有双光子或多光子泵浦特性的稀土掺杂上转换纳米颗粒(UCNPs)可以将NIR光子转换为可见光子或紫外光子,并被禁带宽度更宽的半导体吸收,进而制备出性能优异的上转换PDs。然而,NIR窄带上转换PDs的实现仍然面临一些困难,例如稀土离子荧光量子效率低、需要高泵浦阈值才能实现可探测的上转换发光。在此,我们利用NaYF4∶4%Er UCNPs与钙钛矿半导体层相结合,实现了1550 nm的窄带上转换PDs。通过使用具有局域表面等离子体共振效应的银纳米棒层(Ag NRs)增强了UCNPs的上转换发光,从而降低了上转换PDs的泵浦阈值。基于Ag NRs/NaYF4∶4%Er UCNPs/MAPbI3复合结构的PDs的最佳响应度(R)和探测率(D*)分别约为48.5 mA/W和5.7×10^(8) Jones。与纯UNCP/MAPbI3 PDs相比,R和D*均提高了一个数量级。我们成功地构建了一种简单的策略来制造出稳定的近红外窄带PDs。

多组分纳米纤维体系中载流子动力学的有效级联调制及其高效光催化产氢性能研究

利用半导体作为催化剂,将水光催化还原为H_(2),为缓解全球能源危机以及环境污染问题提供了一种经济环保的途径。优化调控载流子动力学行为对提高半导体光催化分解水还原为绿色燃料-H_(2)的活性具有十分重要的意义。目前,基于半导体异质结效应或局域表面等离激元共振的敏化过程来设计和调控半导体基异质结构体系已成为调控载流子动力学行为的一种经典策略。然而,通过精细设计异质结构,合理耦合上述敏化过程,实现载流子动力学的级联调制,从而获得高效的光催化产H_(2)活性仍然任重道远。在本文中,我们通过原位氧化(g-C_(3)N_(4)的剥离和Ag_(2)S)和还原(Ag)反应,将等离激元Ag纳米颗粒(NPs)和两种不同的半导体Ag_(2)SNPs和g-C_(3)N_(4)纳米片(NSs)组装在电纺TiO_(2)纳米纤维(NFs)中,形成了一种新型四元异质组分纳米纤维(HNFs)体系。结合时间分辨光致发光光谱,3D时域有限差分模拟以及对照实验,我们证明了等离激元AgNPs和g-C_(3)N_(4)NSs由于吸收光谱重叠可以诱导从AgNPs到与其相邻的g-C_(3)N_(4)NSs上的等离激元共振能量转移,从而促进上述四元HNFs体系中g-C_(3)N_(4)上光生载流子的产生。同时,由Ag NPs产生的等离激元热电子能够进一步转移到与其相接触的TiO_(2)、g-C_(3)N_(4)、以及Ag_(2)S组分上,促进体系中光生载流子的产生和分离。而且,g-C_(3)N_(4)/TiO_(2)异质界面处的能带结构属于“II型”异质结,而TiO_(2)/Ag_(2)S异质界面处的能带结构属于“I型”异质结。这样可以在gC_(3)N_(4)/TiO_(2)/Ag_(2)S异质界面构建连续的“能带阶梯”,使光生电子从g-C_(3)N_(4)跨越TiO_(2)转移到Ag_(2)S上,从而促进光生电荷-载流子的分离和迁移。因此,将等离激元共振能量转移,热电子转移过程和连续的“能带阶梯”诱导的载流子分离过程合理地整合在所制备的四元Ag/Ag_(2)S/g-C_(3)N_(4)/TiO_(2)HNFs中,从而实现了光生载流子产生、分离和迁移的有效级联调制。因此,在模拟太阳光的照射下,最优的Ag/Ag_(2)S/g-C_(3)N_(4)/TiO_(2)HNFs光催化产H_(2)速率与等比例随机机械混合的TiO_(2)NFs、gC_(3)N_(4)NSs、AgNPs和Ag_(2)SNPs光催化产H_(2)速率相比高~9倍。这种新颖的载流子动力学级联调制为开发高光活性半导体基异质结构体系,实现太阳能-燃料转换提供了一条崭新的途径。

八面体结构纳米CeO2:Er^3+;的合成及发光性质

采用水热合成法制备了八面体结构纳米CeO2∶Er^3+,并研究了稀土Er^3+离子掺杂对CeO2纳米晶的结构以及发光特性的影响。所合成的CeO2纳米晶具有八面体结构,结晶完好,粒度均匀。XRD和拉曼光谱测试结果表明所制备的CeO2纳米晶为面心立方萤石结构,稀土Er^3+离子的掺杂在基质晶格中产生了氧空位缺陷,并产生了晶格畸变。在980 nm激光激发下产生了稀土Er^3+离子绿色(2H11/2,4S3/2→4I15/2)、红色(4F9/2→4I15/2)和近红外(4I11/2,4I13/2→4I15/2)发光。随着稀土Er^3+离子掺杂浓度的变化,样品的发光光谱在可见光和近红外光范围产生了不同的猝灭浓度,这是由于掺杂浓度变化对Er^3+-Er^3+之间的交叉驰豫过程产生了影响,Er^3+的能级布居变化引起了发光特性的改变。

利用镧系离子掺杂延长{001}/{101}晶面共暴露的TiO_2纳米片电荷分离态以增强其光催化产氢性能（英文）

随着工业化的快速发展,化石燃料等不可再生能源的快速消耗,人类将面临不可预测的能源危机.寻找有效的方法来解决能源短缺问题已成为当今的重要研究课题.氢能是一种可以替代化石燃料的清洁可再生能源.利用半导体光催化分解水制氢技术可以将太阳能转化为氢能.目前,在已开发的半导体光催化材料中, TiO_2因具有无毒、稳定、廉价等优点而备受光催化领域关注.但是,在实际应用方面, TiO_2的光催化效率受限于其低的光子利用率和较高的光生电子-空穴复合率.许多研究表明, TiO_2不同晶面的协同作用有利于光生载流子的迁移分离,并且适量的掺杂能够捕获光生电子,从而抑制其复合.而镧系元素因其特殊4f电子结构受到广泛的关注.采用物理或化学方法将镧系离子引入TiO_2晶格中,可以影响光生电子和空穴的动力学过程,延长光生载流子的分离状态,从而提高光催化活性.本文通过简单溶剂热法成功合成了镧系离子掺杂{001}/{101}面共暴露的TiO_2纳米片.X-射线粉末衍射(XRD)、X-射线光电子能谱(XPS)和高分辨透射电子显微镜(HRTEM)的表征结果证明了镧系离子选择性掺杂在TiO_2纳米片{101}面上.结合紫外可见吸收光谱、稳态荧光、瞬态荧光衰减曲线、光电流及莫特-肖特基曲线等手段对镧系离子掺杂TiO_2光催化剂进行了表征,结果表明,镧系离子掺杂TiO_2纳米片增强了对光的吸收,同时延长光生载流子的分离状态,阻碍光生电子和空穴的复合.考察其光催化分解水制氢的性能.研究表明,在相同掺杂量(0.5 mol%RE^(3+)=Ho^(3+), Er^(3+), Tm^(3+), Yb^(3+), Lu^(3+))的TiO_2纳米片中, Yb^(3+)-TiO_2纳米片光催化剂具有优异的产氢活性,在模拟太阳光照射1 h后产氢量是纯TiO_2的4.25倍.同时讨论了不同浓度助催化剂Pt作用下的Yb^(3+)-TiO_2纳米片产氢效果,当Pt含量量为0.3wt%时,光解水产氢活性最佳, Pt/Yb^(3+)-TiO_2纳米片的产氢量是Yb^(3+)-TiO_2的2倍,纯TiO_2的8.5倍.光催化分解水产氢活性的显著提高可以归因于光生电子-空穴对在TiO_2纳米片{001}/{101}面的快速分离,以及镧系离子4f电子轨道对电子的捕获和杂质能级的产生减小了禁带宽度,这不仅延长了光生载流子的分离状态,增加了H^+还原成H_2的机会,而且还可以拓展可见光的吸收范围.可见,利用镧系离子掺杂TiO_2和共暴露{001}/{101}面协同作用是一种实现TiO_2基光催化活性提高的有效方法之一.镧系离子掺杂的策略对提高半导体纳米材料的光催化活性有显著的影响,可能在光催化、光电化学和太阳能电池领域有更广泛的应用.

稀土掺杂上转换纳米材料在近红外光电探测器中的应用

近红外(NIR)光电检测技术的应用非常广泛,如日常生活中的生物热成像仪、生物追踪、运动手表等,以及军事国防中的无人机、导弹制导、生产自动化等领域均扮演着重要的角色,具有波长选择性的NIR PDs在红外成像、环境监测、医疗检测、光通信等领域有着广阔的应用前景,开发易于集成、高灵敏度、低泵浦阈值的NIR I-II区的多波段选择性PDs,对加密通信生物分析等领域的发展具有重要意义。目前,波长选择性光电探测技术的应用,侧重于集成多个不同带隙,且对NIR有不同的光响应能力的半导体材料,但这不仅增加了器件的制备成本和设计上的复杂性,又严重影响其稳定性。稀土离子(RE^(3+))掺杂上转换纳米晶(UCNCs)具有大Stokes/反Stokes位移以及优异的光稳定性,吸收NIR光子后将其转化为UV/Vis光子,被窄带隙半导体材料吸收。UCNCs因为具有窄带NIR波长选择性吸收特性等优点,被视为一种优异的光敏材料,为开发新一代的波长选择性PDs提供了解决方案。研究表明:UCNCs的光电检测中,UCNCs与钙钛矿、石墨烯、MoS_(2)的结合可以使PDs展现出更好的光响应能力,实现单个组件无法获得的更大的光谱范围。但在实际应用中,仍需面临UCNCs的荧光效率低、泵浦阈值高的问题。本文综述了近年来利用稀土掺杂UCNCs作为光活性材料用于NIR PDs的研究进展,主要包括:提高UCNCs发光效率/发光强度以实现窄带NIR探测的几种主要策略;UCNCs与钙钛矿、石墨烯、MoS_(2)结合应用于NIR PDs的研究现状;稀土掺杂上转换钙钛矿基NIR PDs的最新研究进展。