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手性稀土纳米材料的圆偏振发光研究进展

期刊:中国科学: 化学DOI:10.1360/ssc-2024-0069

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作者及机构
本文由陈玉婷、董胜贺、王鹏鹏撰写,作者单位包括金属材料强度国家重点实验室、陕西省软物质国际联合研究中心以及西安交通大学材料科学与工程学院。通讯作者为王鹏鹏,邮箱为ppwang@xjtu.edu.cn。文章发表于《中国科学: 化学》2024年第54卷第8期,网络版发表日期为2024年7月29日。

研究主题
本文综述了手性稀土纳米材料在圆偏振发光(Circularly Polarized Luminescence, CPL)领域的最新研究进展。圆偏振发光是手性材料在受激发后发射出具有差异的左旋或右旋圆偏振光的独特光学现象,在量子计算、信息加密和三维显示等领域具有重要应用潜力。文章详细介绍了手性稀土纳米材料的构筑方法、性能表征及其在CPL领域的研究进展,并探讨了该领域面临的挑战和未来发展方向。

主要观点及论据

1. 手性稀土纳米材料的背景及意义
手性是一种广泛存在于自然界的现象,表现为物体与其镜像无法通过旋转或平移重合的性质。手性材料在现代科技中具有重要应用,尤其是在光学领域,如圆二色性(Circular Dichroism, CD)和圆偏振发光(CPL)。CPL材料在量子计算、信息加密、三维显示和发光设备等领域展现出巨大潜力。手性稀土纳米材料结合了稀土元素的光电优势和手性结构的光学活性,成为近年来研究的热点。

2. 手性稀土纳米材料的构筑方法
文章详细介绍了构筑具有CPL性能的手性稀土纳米材料的两类主要方法:
- 手性分子诱导法:通过手性分子诱导形成手性无机纳米结构,如金属团簇、纳米ZnO薄膜和CdSe量子点等。
- 主-客体策略:通过非手性发光客体与手性主体共组装实现CPL发射。手性主体为发光客体提供手性限域空间,从而实现手性传递。

3. 手性稀土纳米材料的性能表征
手性材料的光学特性可通过CD和CPL光谱进行分析。CD光谱反映材料的基态手性结构信息,而CPL光谱则反映激发态结构信息。文章详细介绍了表征手性发光材料性能的关键参数,如不对称因子(g值)和发光不对称因子(glum值),并讨论了如何通过调控发光量子产率(PLQY)和glum值来优化CPL性能。

4. 本征手性稀土纳米材料的CPL研究
本征手性稀土纳米材料的手性主要源自手性空间群。文章以稀土磷酸盐为例,介绍了如何通过手性分子诱导实现本征手性稀土纳米材料的合成,并展示了其在高温下的热稳定性和CPL性能。例如,通过调整掺杂离子的种类,可以实现红、绿、蓝三种颜色的CPL发射。

5. 非本征手性稀土纳米材料的CPL研究
非本征手性主体的类型更为丰富,包括手性金属有机框架(MOFs)、手性向列相结构、手性有机凝胶、手性螺旋结构和手性SiO2等。文章详细介绍了这些手性主体与稀土发光纳米粒子共组装实现CPL的研究进展。例如,手性MOFs作为手性主体,可以通过手性限域空间诱导非手性发光体产生CPL活性。

6. 手性稀土纳米材料的应用前景
手性稀土纳米材料在三维显示、信息安全、手性识别和光电子器件等领域展现出优异性能。通过调节稀土离子或结构手性,可实现对发光偏振状态的精细控制,为高安全级别的信息加密提供新的解决方案。此外,手性稀土纳米材料产生的上转换CPL(UC-CPL)可以触发对映选择性光聚合,为合成特定异构体的手性材料提供了新途径。

7. 挑战与未来发展方向
文章指出,制备高效CPL材料的主要挑战之一是如何同时实现高的PLQY和大的glum值。未来研究应着重设计合适的手性主体和共组装策略,以优化CPL性能。此外,手性稀土纳米材料在生物成像、传感器和新型光电设备等领域的应用潜力也值得进一步探索。

文章的意义与价值
本文系统总结了手性稀土纳米材料在CPL领域的研究进展,详细介绍了其构筑方法、性能表征和应用前景,为该领域的后续研究提供了重要的理论指导和实验参考。文章不仅对手性稀土纳米材料的基础研究具有重要科学价值,还为其在信息加密、三维显示和光电子器件等领域的应用提供了新的思路。


这篇综述文章通过详实的文献回顾和理论分析,全面展示了手性稀土纳米材料在CPL领域的研究现状和未来发展方向,具有重要的学术价值和实际应用意义。

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