研究问题描述：

稀土离子和半导体纳米晶（或量子点）本身都是良好的发光材料，二者的有效结合能否产生出新型高效发光或激光器件一直是国内外学者十分感兴趣的问题。

通过半导体基质到三价稀土离子高效能量传递，可以克服稀土离子自身吸收截面小的缺点，实现稀土离子高效发光（图1）。由于稀土离子和基质阳离子的离子半径差异大，电荷不匹配，三价稀土离子一般很难以替代晶格位置的形式掺入半导体纳米晶中。目前，如何实现稀土离子的体相掺杂以及半导体纳米晶的晶体场环境如何影响稀土离子发光效率是人们普遍关注的焦点。

图1.半导体纳米晶到稀土离子能量传递示意图。通过调节半导体纳米晶的粒径可以调控其带隙的大小，进而对半导体纳米晶到稀土离子能量传递的过程实现调控。

在科技部973计划、国家自然科学基金杰出青年基金、中科院“百人计划”和中科院科研装备研制等项目支持下，中国科学院福建物质结构研究所陈学元团队结合他们在本领域的最新研究进展，在Science China Materials2015年第10期发表了题为“Lanthanide-doped semiconductor nanocrystals: electronic structures and optical properties”的综述文章（原文链接:http://mater.scichina.com/EN/abstract/abstract510025.shtml；http://link.springer.com/article/10.1007%2Fs40843-015-0091-9）。

研究情况

该文全面总结了该领域的国际前沿和最新成果，结合团队自身在这方面的研究经验，提出了通过湿化学方法把稀土离子掺杂进入半导体纳米晶晶格位置的有效合成路线。同时文章还对稀土离子在半导体纳米晶中的格位分布、电子能级结构及半导体纳米晶到稀土离子能量传递机理进行了系统的总结和讨论，并对稀土掺杂半导体纳米晶的未来发展方向和趋势进行了深入探讨，提出了自己的见解。

该工作有望帮助国内外同行深入理解稀土掺杂半导体纳米晶的光物理以及制约高效发光的瓶颈，同时也对未来稀土掺杂半导体纳米晶在生物医学和发光照明显示领域的应用开发具有重要的指导意义。 

陈学元课题组隶属于中国科学院福建物质结构研究所材料化学与物理研究室，致力于稀土纳米发光材料的光谱和光电子学研究，尤其是纳米发光材料的不同于块材的发光机理和荧光动力学。 

课题组以自行组建的低温高分辨激光光谱测试系统为手段，将分别针对以下五个方向进行研究，其共同的核心问题是块材的稀土光谱理论如何拓展到纳米领域。 

   1) 纳米光谱和光电子学：纳米发光材料不同于块材的发光机理、荧光动力学和电声子相互作用； 

   2) 稀土纳米荧光标记材料及其生物应用：基于时间分辨和上转换技术的肿瘤标志物异相（或均相）生物检测和靶向成像； 

   3) 稀土（镧系）光物理和光化学：稀土化合物激发态动力学和能量传递； 

   4) 太阳电池材料光电转换机理：激子复合和分离；瞬态吸收和瞬态荧光；超快激光光谱学； 

   5) 新型光电子材料与器件：白光LED、激光和非线性光学材料。
课题组网址：http://www.fjirsm.ac.cn/yjxt/clhxywuyjs/cxy/

陈学元研究员个人简介：

陈学元，男，籍贯福建建瓯，研究员，博士生导师。1993年毕业于中国科技大学材料科学与工程系，1998年获中科院福建物质结构研究所物理化学专业理学博士学位。2001-2005年在美国能源部阿贡国家实验室（Argonne National Laboratory）化学部从事博士后研究，2005年入选中国科学院"百人计划"回国工作，2013年获得国家杰出青年科学基金，入选首批福建省科技创新领军人才（2014）。近年来致力于发光材料电子结构与性能研究，在无机发光材料控制合成、电子结构、光学性能及应用取得重要进展，已在Nature Photonics, Nature Commun., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater.等刊物发表学术论文130多篇，其中SCI收录论文120多篇，被他人引用3600多次，14篇论文入选近十年化学、材料和物理领域ESI高被引频次论文；出版《稀土纳米发光材料：从基础到生物应用》等Springer英文专著2部，专章6篇；授权和受理国内外发明专利29项。

曾任第十八届国际固体激发态动力学会议（DPC’13）组委会主席，Journal of Luminescence (DPC’13专辑) Guest Editor，目前担任中国科学院海西研究院固态光谱学和光物理国际研究中心主任，香港教育学院名誉教授，Journal of Luminescence和Reviews in Nanoscience and Nanotechnology期刊副主编，Nano Research和Science China Materials编委，全国掺杂纳米材料发光性质、国际稀土开发与应用、全国稀土发光材料等学术会议的学术委员会委员，以及中国物理学会、OSA、ACS、RSC、NPG、IOP、Elsevier、Wiley-VCH、Springer、IEEE、AIP等80多种SCI国际刊物审稿专家。获第十届福建青年科技奖（2009），中科院上海分院第二届杰出青年科技创新人才奖（2010），第十七届运盛青年科技奖（2010），卢嘉锡优秀导师奖（2012），福建省自然科学优秀学术论文一等奖（2012，2014）。

主要学术贡献：

陈学元研究小组一直致力于无机发光材料电子结构与性能研究，近五年来在稀土发光材料的控制合成、电子结构、光学性能及生物应用等方面取得了系列重要成果：

1）发光材料的电子结构和激发态动力学：实现稀土离子在宽禁带半导体纳米晶的体相掺杂和强荧光发射，TiO₂:Er³⁺纳米晶的光谱性能和局域结构的研究结果 (Small 2011, 7, 3046) 入选 “2011中国光学重要成果”。以稀土离子为结构探针，通过低温高分辨荧光光谱揭示在稀土掺杂阳离子无序分布结构的晶体中普遍存在的结晶学位置对称性破缺现象 (Angew. Chem. Int. Ed. 2013, 52, 1128) （化学领域ESI高被引频次论文）。

2）发光材料的光学性能：利用核壳结构实现Eu³⁺在水溶性NaGdF₄纳米晶的上转换和下转换双模荧光 (Adv. Mater. 2010, 22, 3266)，论文入选 “2010中国光学重要成果” 和材料领域ESI高被引频次论文（他引220次）；利用中红外飞秒激光激发，在π共轭分子发光材料IPPS中实现五光子泵浦上转换受激发射，同时获净转换效率高达10.4%的三光子泵浦上转换受激发射 (Nature Photonics 2013, 7, 234，入选 “2013中国光学重要成果”) ；突破常温离子交换湿化学法制备高量子产率非稀土红色荧光粉技术，实现高显指低色温暖白光LED高光效输出(Nature Commun., 2014, 5, 4312)。

3）发光材料的生物应用探索：研制基于稀土氟化物和氧化物纳米探针的新一代荧光生物标记材料，并成功用于生物分子尤其是肿瘤标志物的异相和均相检测 (Angew. Chem. Int. Ed. 2011, 50, 6306; 2013, 52, 6671; 2014, 53, 1252)，其中超小ZrO₂基稀土荧光生物探针的研制(JACS 2012, 134, 15083)被美国C&EN和JACS Spotlights专栏评述。发展了基于KGdF₄:Ln³⁺纳米探针的光/磁双模生物标记方法，实现TR-FRET生物检测和MRI成像(JACS 2012, 134, 1323)。8篇论文入选化学领域ESI高被引频次论文。

4）发光材料的先进测试平台研制：设计研制低温高分辨激光光谱仪和上转换量子产率测试仪等，自主研制了国际领先的光化学与光物理测试研究平台，发现许多新颖的光学性能；依托该平台与国内外伙伴小组合作，取得许多高水平成果，并发表在Science和Nature Mater等顶级期刊。

近五年来陈学元作为通讯作者已在Nature Photonics、Nature Commun.、JACS等发表SCI论文46篇，其中影响因子>10论文14篇，>3论文40篇，封面/封底/卷首彩页论文12篇。论文近五年他引3200多次，其中14篇入选近十年化学、材料领域ESI高被引频次（top 1%）论文。出版《稀土纳米发光材料：从基础到生物应用》Springer专著2部，专章6篇。申请国内外发明专利29项（授权6项）。

（本文材料整理自网络）

如若转载，请注明e科网。

如果你有好文章想发表or科研成果想展示推广，可以联系我们或免费注册拥有自己的主页