实现荧光亮度与发光不对称性的高效整合对制备高质量圆偏振发光材料至关重要. 这类材料在加密信息传输、三维(3D)成像和手性传感等领域具有巨大的潜力. 无机量子点作为发光单元, 因其高稳定性、可调光致发光特性和高荧光量子产率, 被认为是新一代显示应用的理想候选材料. 然而, 要实现同时具备高荧光亮度和强发光不对称性信号的无机量子点的制备面临巨大挑战. 主要原因在于手性配体对量子点表面不完全钝化而导致的缺陷态的形成, 以及手性配体与量子点相互作用产生的手性发光控制机制尚不清晰. 本综述从量子点的合成与手性功能化途径着手, 系统综述了手性量子点的合成策略, 包括水相直接合成、后合成修饰、及水/油界面介导的合成, 并详细描述了这些合成方法的化学本质、对应材料的性质及方法本身的优缺点和适用范围. 进一步地, 根据相关经验方程, 给出了圆偏振发光、荧光及手性信号的影响规律. 结合电偶极和磁偶极对材料电子跃迁的影响, 分析了圆偏振发光、荧光及手性信号之间的相关性, 揭示无机量子点圆偏振发光的产生和性质调控内在规律, 为高质量圆偏振发光量子点的制备提供科学指导.
圆偏振发光(circularly polarized luminescence, CPL)纳米材料, 作为未来显示的核心组成部分, 在加密信息传输、三维(3D) 成像和手性可视化传感等领域展现出了巨大的应用潜力. 其中, 圆偏振发光手性无机量子点(quantum dots, QDs)以其独特的光致发光特性、手性及圆偏振发射特性, 在各个领域引起了越来越多的关注. 例如, 圆偏振发光手性无机量子点作为理想的手性传感材料, 能够实现复杂生命体系中微量手性标志物的高灵敏检测; 而其肉眼不可见的发光偏振信息, 在量子信息传输及防伪检测领域展现出了巨大的应用潜力; 此外, 圆偏振发光手性量子点独特的自旋电子输运在推动信息存储和显示技术革新等方面展现出了巨大的价值.
自2007年Gun’ko教授团队报道微波加热合成手性CdS量子点以来, 手性量子点的合成与应用探索取得了显著进展. 目前, 已报道的手性量子点包括无机半导体量子点、碳点及钙钛矿量子点. 无机半导体量子点, 如CdSe、CdS、PbS、Ag2Te、CuInS2、InP等, 以其较高的稳定性、可调的光致发光特性和高的荧光量子产率而备受关注. 尽管如此, 此类手性量子点的圆偏振发光研究仍处于起步阶段, 材料的手性和圆偏振发光特性相对较弱. 碳点或石墨烯量子点作为一种新型碳纳米材料, 以其良好的电和化学稳定性、环境友好性及低成本制作优势, 吸引了广泛研究关注. 不过, 与传统无机量子点相比, 碳点在光致发光亮度和半峰宽等性质方面仍存在较大差距. 钙钛矿量子点作为后起之秀, 发展迅猛, 因其高荧光量子产率和强手性光学活性, 成为各类光电器件的首选材料. 然而,钙钛矿量子点的水不稳定性是其致命问题, 限制了其在生物相容性体系等使用场景中的应用. 除了开发单一圆偏振发光手性量子点, 研究人员还通过利用手性模板与非手性或手性量子点结合, 赋予或增强整体结构的手性和荧光特性, 从而发展出具有高效圆偏振发光的结构体系.
鉴于无机半导体量子点成熟的合成工艺及其巨大的应用潜力, 本综述重点聚焦于圆偏振发光手性无机量子点. 首先从手性量子点的合成途径出发, 详细讨论了现有的圆偏振发光量子点的合成方法及其优缺点, 并分析了这些材料的手性、荧光和圆偏振发光特性. 接着, 通过结合手性、荧光及圆偏振发光的经验方程, 探讨了量子点圆偏振发光的产生机理及其与荧光和手性之间的内在联系. 最后, 对圆偏振发光无机量子点的研究现状进行了总结, 并对未来的发展方向进行了展望(图1).
图1 圆偏振发光无机量子点合成策略及发光机制综述内容示意图
本文收录于《中国科学：化学》2024年第8期“手性发光材料专刊”.