稀土摻雜TiO2納米晶敏化發(fā)光和上轉換發(fā)光示意圖

　　稀土離子和半導體納米晶（或量子點）本身都是很好的發(fā)光材料，二者的有效結合能否生出新型高效發(fā)光或激光器件一直是國內外學者關注的科學問題。與絕緣體納米晶相比，半導體納米晶的激子玻爾半徑要大得多，因此量子限域效應對摻雜半導體納米晶發(fā)光性能的影響變得很顯著，從而有可能通過尺寸調控來設計一些具有新穎光電性能的發(fā)光材料。同時由于稀土離子和基質陽離子的離子半徑差異大，電荷不匹配，三價稀土離子一般很難以替代晶格位置的形式摻入半導體（如ZnO和TiO2）納米晶中。目前，國內外研究結果大都只能得到稀土在半導體納米晶表面或近表面的弱發(fā)光。如何實現(xiàn)稀土離子的體相摻雜是目前這類材料面臨應用的瓶頸，也是制備新材料面臨的挑戰(zhàn)。

　　在科技部863和973計劃、國家自然科學基金、中科院“百人計劃”、福建省杰青項目等支持下，中科院福建物質結構研究所中科院光電材料化學與物理重點實驗室陳學元研究員課題組在稀土摻雜半導體納米晶研究方面取得新進展。該研究小組采用一種巧妙的技術路線，成功實現(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發(fā)光。通過低溫高分辨熒光光譜實驗，對Er3+在TiO2納米晶中的局域電子結構和晶體場能級進行了系統(tǒng)的分析和計算，首次實驗確定了占據(jù)單一格位的Er3+在銳鈦礦TiO2中的全部晶體場參數(shù)。

　　這些結果對于研究其它稀土離子在二氧化鈦半導體納米晶中的光譜性能以及局域結構等有重要意義。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探針，證實了Eu3+在TiO2中多格點位置以及Eu3+的局域結構對稱性從原先的D2d降低到D2和C2v的事實（J. Phys. Chem. C, 2008, 112, 10370）；在Sm3+、Nd3+摻雜的TiO2納米晶中，實現(xiàn)了從TiO2基質到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）等半導體納米發(fā)光材料的研究中也取得了系列進展。