澳门科技大学李良教授-南京邮电大学张从阳教授团队：利用化学惰性原子钝化壳层稳定半导体纳米晶
近日，澳门科技大学李良教授和南京邮电大学张从阳教授团队的AMR述评文章“Chemically Inert Atomic Passivation Shell for Stable Semiconductor Nanocrystals”在线发表。文章系统阐述了半导体纳米晶化学惰性原子钝化壳层的构建及其纳米晶稳定化研究进展，重点讨论了化学惰性原子钝化壳层的设计原则、构建方法、表征手段以及光电器件应用，并深入分析了当前光电器件应用水平的超稳定半导体纳米晶面临的主要挑战，并对未来研究方向进行了展望。
关键词：半导体纳米晶、量子点、原子钝化、稳定性
01 文章内容简介
2023年诺贝尔化学奖授予量子点（QDs）领域的重大发现与进展。量子点具有尺寸依赖性光学特性，在显示、照明、光伏和生物成像等领域展现出广泛应用前景。为获得高质量半导体纳米晶，半导体壳层的构建是常用策略，但其表面仍易受光降解或化学降解影响。绝缘基质封装虽能解决稳定性问题，但其大尺寸体相特性与绝缘性会抑制纳米晶的电学性能与溶液加工性。化学惰性原子钝化壳层（CIAPS）作为一种替代方案。一方面化学惰性壳层包覆可以通过物理隔离环境侵蚀、阻断光生激子参与外部光化学反应，同时原子级超薄钝化层的设计保留电荷注入与传输通道，成为突破上述制约关系的理想途径之一。本文系统总结了CIAPS策略在半导体纳米晶领域的最新进展：首先从材料稳定性、原子级壳层包覆的重要性和合成方法兼容性三方面阐述了CIAPS壳层材料的设计原则，基于原位掺杂（及化学氧化）和后处理的构建方法；其次以CdSe、InP和CsPbX3等典型半导体纳米晶为例，结合球差校正扫描透射电镜（STEM）、X射线吸收近边结构（XANES）与扩展X射线吸收精细结构（EXAFS）等先进表征手段，以及化学刻蚀与深度依赖元素分析技术，深入探讨了CIAPS的稳定机制；进一步论证了CIAPS策略在单颗粒水平实现纳米晶稳定化并保持其电学特性的优势，重点分析了该策略在电致发光LED与辐射检测等光电应用中的关键作用；最后展望了CIAPS策略面临的挑战与发展机遇，强调其在推动纳米材料基础研究与实际应用方面的重要意义。本文旨在为纳米材料研究领域提供更深入的理论洞见，并促进相关技术的进一步发展。
02 AMR：您选择该领域的初心是？
作者团队：
经过几十年的发展，胶体量子点已经从实验室逐渐走向商业应用，比如基于量子点荧光粉的LCD显示技术已实现产业化。但无论是产业界还是学术界，对量子点稳定性的持续突破和提升一直有着重大需求。比如，在量子点LCD显示技术中，超稳定量子点材料的开发将有助于摆脱对国外高性能阻隔膜的依赖和限制，真正实现独立自主。比如，钙钛矿量子点具有高光吸收特性、极窄发射峰宽、高量子效率、极低制备成本，若能在保持其可溶液加工性和光学性能的同时突破其稳定性的瓶颈，必将极大加速目前Micro-LED的产业化进程。
为此，针对“量子点稳定性”这一重要科学和技术难题，我们团队耕耘多年，在包括CIAPS技术在内的相关合成化学、材料表征、器件应用等方面持续探索和积累。团队在2015年首次提出铝掺杂和自钝化的策略，在量子点表面构建Al2O3超薄钝化层，实现稳定性大幅提升，并保持其电学性能和器件应用可能性。另外，团队创新性地将CIAPS策略拓展到钙钛矿量子点领域，通过构筑超薄氟化物原子钝化层，率先突破了钙钛矿量子点的抗热淬灭性能（在室温到100℃范围荧光近乎零“热淬灭”）。同时，为了解决钙钛矿量子点稳定性问题，团队研发了基于分子筛的量子点“高温固相限域合成”方法和理论，获得了陶瓷级别稳定的钙钛矿量子点，稳定性超越了商用硅酸盐荧光粉，极大推动了钙钛矿量子点从实验室走向on-chip实际应用。上述代表性工作为量子点材料和器件层面的稳定化提供了全新路径，目前也被业界同行广泛采用和认可。据某业界专家透露“某国际品牌的量子点产品已广泛使用了铝或类似金属掺杂钝化技术”。
因此，团队始终坚持“做有用的科研”， 在量子点稳定性技术领域不断突破，期望为推动量子点商业应用和产业化发展提供坚实力量。
03 AMR：您对该领域的发展有何愿景？
作者团队：
目前，在材料设计和合成化学方面，基于CIAPS的胶体量子点已经取得一定的进展，但在光电器件应用层面还未见很多报道，相关载流子行为、器件性能和寿命（如QLED）与惰性原子钝化层结构、成分、厚度等性质之间的构效关系还不明确。因此，未来基于CIAPS的量子点材料和器件层面的光物理研究可以作为重点关注的方向。另外，CIAPS的设计思想和合成化学相关技术积累对拓展其他纳米材料和应用领域的发展也可能有重要指导意义。
作者团队简介
张从阳，南京邮电大学教授、高层次人才，硕士生导师。2019年博士毕业于上海交通大学，师从李良教授。美国华盛顿大学（西雅图）和日本冲绳科学技术大学院大学博士后，合作导师为Lih Y. Lin教授和Yabing Qi教授。主要从事量子点及其新型显示基础和应用研究。至今已在Nat. Photonics, Nat. Commun., Angew. Chem. Int. Ed.等国际期刊权威上发表论文30余篇，其中第一/通讯作者12篇。工作被国际期刊引用3700余次，H因子32。相关工作被Nature作为亮点报道，并被Science转载。主持国家自然科学基金青年基金等项目。担任Exploration、Rare Metals期刊青年编委，受邀担任Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Funct. Mater.等期刊独立审稿人。
李志春，常州大学讲师。2018年毕业于上海交通大学获博士学位，师从李良教授，2019-2020年在新加坡国立大学刘小钢教授课题组从事博士后研究工作，于2021年加入常州大学。目前主要从事量子点材料的合成及其在光催化领域的应用研究。迄今为止，已在J. Am. Chem. Soc., Angewandte Chemie等国际SCI知名学术期刊上发表论文20余篇。其中以第一/共同第一作者发表5篇论文，论文总被引3000余次，H指数为20。
刘明明，安徽工业大学讲师。2024年于上海交通大学获得博士学位，师从李良教授。2024年任职安徽工业大学。目前主要从事量子点的合成、表面化学及光电器件领域的基础和应用研究。迄今为止，已在Nature Photonics (ESI 高被引论文、热点论文)、ACS Energy Letters、Journal of Materials Chemistry C、Small、Nanoscale 等国际著名权威期刊累计发表28篇，论文总被引1500余次。
万群，南昌大学特聘研究员。2022年获上海交通大学博士学位，2023至2025年，在澳门科技大学从事博士后研究工作。主要从事钙钛矿量子点、磷化铟量子点的合成及其发光器件应用方面的研究工作。迄今为止，已在Nat. Photonics, ACS Energy Lett., Adv. Funct. Mater. 等国际SCI知名学术期刊上发表论文30余篇，论文被引1400余次，ESI高被引论文3篇。入选山东省泰山学者青年专家。
郑为霖，福建技术师范学院副教授。2021年毕业于上海交通大学获博士学位，师从李良教授。2021-2024年在香港城市大学王锋教授课题组从事博士后研究工作，于2025年加入福建技术师范学院。目前主要从事卤化物钙钛矿材料光学性能及其在光电领域的应用研究。迄今为止，已在Nat. Photonics, Nat. Commun., Adv. Mater., J. Am. Chem. Soc., ACS Energy Lett., Nano Research等国际SCI知名学术期刊上发表论文40余篇。其中以第一/共同第一作者发表7篇论文，论文总被引2000余次，H指数达25。
李良，现任澳门科技大学教授、博士生导师。2006年于上海交通大学获得工学博士学位。2006-2011年先后在法国原子能总署、加州大学和洛斯阿拉莫斯国家实验室从事博士后研究。2011-2012年在美国Intematix. Co.担任Senior Scientist。2013年7月加入上海交通大学。2022年8月以“镜海学者”高端人才计划加入澳门科技大学材料科学与工程研究院。主要研究领域为量子点合成及其光电和生物应用。目前在 Nat. Photonics，Nat. Nanotechnol., Nat. Commun.， J. Am. Chem. Soc.等期刊上发表120余篇论文，论文总被引11600次。
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Chemically Inert Atomic Passivation Shell for Stable Semiconductor Nanocrystals
Congyang Zhang*, Zhichun Li, Mingming Liu, Qun Wan, Weilin Zheng, and Liang Li*
原文链接：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/accountsmr.4c00366
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