手性量子棒的激子圓二色光譜分析

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在過去的三十年中，膠體半導體納米晶由於具有獨特的光學性質而引起學術界和工業界的廣泛關注。該材料不僅對量子限域效應的基礎研究提供了一個理想的平台，而且在顯示屏和照明、太陽能光電板、激光、熒光生物標記等多個領域表現出潛在的應用前景。其中，手性半導體納米晶由於具有可調的光學活性引起人們的極大興趣。目前的研究表明，可調的光學活性在手性識別和分離、立體選擇性催化和高性能的光學設備等方面具有潛在的應用價值。

總體來講，手性半導體納米晶的發展分為兩個階段。第一個階段為未觀測到激子信號的階段，人們通過直接的水相合成方法，以手性小分子作為穩定劑合成手性的量子點。然而，通過這種方法製備的手性量子點在激子吸收帶附近未觀測到圓二色信號，其中的一種可能是製備樣品的單分散性比較差，導致信號太弱。第二個階段為製備改良階段，人們進一步改進了合成方法，先在油相中用常規的熱注入法得到高單分散性的量子點，然後進一步與手性小分子的配體交換。雖然人們通過改進位備方法可以得到高分散的手性納米晶，然而得到的手性量子點在激子吸收峰處的圓二色信號仍然非常弱。與此同時，在理解和預測手性量子點的光活性方面，人們發展了一些理論方法，如離散偶極方法和時間依賴密度函數理論。雖然人們在對該體系的研究方面取得了大的進步，然而，一些基本知識仍然存在爭議，例如圓二色響應和手性量子點的激子態之間的關係以及決定手性量子點圓二色響應的關鍵因素尚未探索，這些都可以歸因於量子點的弱手性信號。

近日，國家納米科學中心的唐智勇團隊通過選擇具有高各向異性的纖維鋅礦結構的CdSe量子棒作為研究對象，以L-或D-半胱氨酸作為表面穩定劑，成功獲得增強的圓二色信號。該團隊製備量子棒的圓二色信號高出已有的手性量子點一個數量級。同時，通過精確調控量子棒的長徑比，在嚴格控制直徑不變的情況下，作者將納米晶由量子點調控至長徑比為7.3的量子棒，觀察到該手性量子棒的各向異性g-因子的變化趨勢和其長短軸光學極化因子的比值趨勢是吻合的。該課題組首次將用於解釋分子手性的非簡併耦合振子模型引入納米尺度中，對該手性材料的光學活性進行了深入的分析。同時，他們通過分析指出，第一激子帶處的劈裂信號對應於沿著4pz,Se5sCd和4p(x,y),Se5sCd方向不同的激子躍遷。該工作有助於人們對光活性半導體納米材料的圓二色光譜進行深入理解，並在設計高光學活性半導體納米材料方面具有一定的指導意義。相關工作近期發表在Journal of the American Chemical Society上。