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使用无毒材料实现低能光子的上转换

发布:HPLlaser    |    2019-12-09 16:35    阅读:1078
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近日,美国加利福尼亚大学河滨分校(UC Riverside)和德克萨斯大学奥斯汀分校的研究人员发表了使用无毒的硅纳米晶体将低能光子转换为高能光子的工作。使用无毒材料进行光子上转换可以进一步推进癌症光动力疗法的发展。

紫外线(UV)可以形成可攻击癌组织的自由基。但是,它不能深入到组织中以在癌部位附近产生治疗自由基;而近红外(NIR)光可以穿透到组织的深处,但能量不足以产生自由基。尽管光子上转换可以提供紫外线和近红外光的优点,但迄今为止,用于将非相干长波光转换为可见光范围的材料中含有有毒元素,从而在生物或环境敏感应用中是禁止使用的。众所周知,硅是一种无毒的材料,但以前从未用做上转换材料。

绿色低能激光穿过硅量子点。量子点将低能光重新发光或上转换为高能蓝光。

由UC Riverside博士生Pan Xia领导的研究团队通过用三重态蒽(一种炭氢化合物)配体对无毒的硅纳米晶体进行化学处理用作粒子上转换材料。Xia说:“我们用蒽功能化硅纳米晶体。然后激发硅纳米晶体,我们发现能量从纳米晶体通过蒽分子有效转移到溶液中的二苯基蒽。这意味着我们得到了更高能量的光。”

该小组研究了硅纳米晶体的表面化学,以及如何将有助于将分子结合在一起的配体连接至纳米颗粒,该纳米颗粒旨在将能量从纳米晶体转移到周围的分子。当研究人员将激光照射在纳米晶体上时,他们发现具有适当表面配体的晶体可以迅速将能量转移到周围分子的三重态。通过称为三重态-三重态融合的过程,低能态转换为高能态,从而导致发射较短波长的光子。将低能光子转变为高能光子,需要使用三重态,需要使用量子受限的纳米粒子,并且需要将纳米粒子和有机分子非常紧密地结合在一起。这就是使三重态结合以获得高能光子的方式。加州大学河滨分校是第一个找到使该结构的两个部分,有机分子和量子受限的硅纳米晶体,协同工作的方法。

等离子体工艺:硅纳米晶体在通过硅烷气体中形成。

得克萨斯大学奥斯汀分校的Sean Roberts教授使用超快激光来研究这种混合结构中的能量如何转移。这种转移过程既快速又高效。目前的挑战在于将成对的激发电子从这些有机材料中转移到硅中。研究人员认为不能仅仅通过在一层层的沉积来完成,还需要在硅和这种材料之间建立一种新型的化学界面,以使它们进行电子通信。

该团队研究的自旋三重态激子从硅转移到分子三重态受体的过程,不仅可以为新的,微创的光动力癌症治疗开辟道路,还可以为太阳能转化,量子信息和NIR驱动的光催化技术提供新技术。

该研究目前已发表于“Nature Chemistry”(www.doi.org/10.1038/s41557-019-0385-8)。

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