一种掺铒硅量子点晶体材料、其制备方法及应用技术

本发明专利技术公开了一种掺铒硅量子点晶体材料、其制备方法及应用。本发明专利技术的掺铒硅量子点晶体材料的尺寸为3～5nm，其表面包含烷烃配体，所述掺铒硅量子点晶体材料为金刚石结构的晶体，所述掺铒硅量子点晶体材料晶格内的Er

【技术实现步骤摘要】
一种掺铒硅量子点晶体材料、其制备方法及应用


[0001]本专利技术涉及光学探测领域，具体涉及一种掺铒硅量子点晶体材料、其制备方法及应用。

技术介绍

[0002]由于具有自校准和非接触式探测的优势(Quintanilla,M.&Liz
‑
Marz
á
n,L.M. Nano Today19,126
–
145(2018).Zhou,J.,del Rosal,B.,Jaque,D.,Uchiyama,S.&Jin, D.Nat.Methods17,967
–
980(2020).)，比率荧光在温度探测、农药探测、生物体离子探测等许多领域都具有广阔的应用前景，其中，温度探测是比率荧光最广泛的应用，高性能的比率荧光温度计已经成为了当今社会的重要研究领域。温度探测包含测试材料和被测物体，所述测温功能材料是指具有温度探测功能的材料，所述被测物体是指需要被测量温度的任何物体，在使用中，二者是堆叠放置的，并作为一个整体使用，如图15所示。需要指出，温度探测的性能取决于测试材料。本专利技术以比率荧光温度计为例来说明。
[0003]比率荧光温度计是一种基于荧光强度比值R的温度探测计，所述荧光强度比值R的定义如下
[0004][0005]其中，I1和I2分别代表两种不同波长范围内的积分荧光强度。由于荧光强度比值R随温度变化，通过测试被测物体的荧光强度比值则可以得到相应的温度。所述荧光指的是原子、离子或分子通过一次或多次自发跃迁而产生的光发射现象 (冯端.固体物理学大辞典:[M].北京:高等教育出版社,1995)。
[0006]信噪比(S/N)是评价比率荧光温度计探测结果准确性和可靠性的指标(Wang, Z.et al.Inorg.Chem.60,14944
–
14951(2021).Yuan,N.et al.Mater.Lett.218, 337
–
340(2018).)，其定义为有用信号的强度与无用信号的强度的比值，即
[0007][0008]其中，I
S
和I
N
分别代表测试材料的有用信号(signal)的强度与无用信号(noise) 的强度。为了保证比率荧光温度计探测结果的准确性和可靠性，信噪比(S/N) 越大越好。需要指出的是，本专利技术所述的信噪比(S/N)是指由测试材料自身属性决定的信噪比(S/N)，而非测试仪器自身的信噪比(S/N)。
[0009]相对灵敏度(S
R
)是评估比率荧光温度计温度探测灵敏度的指标，其计算公式如下(Zhou,J.,del Rosal,B.,Jaque,D.,Uchiyama,S.&Jin,D.Nat.Methods17, 967
–
980(2020).)：
[0010][0011]其中，R是荧光强度比值，T是被测物体的温度，是荧光强度比值对温度的一
阶偏微分，一阶偏微分越大，代表测试材料的荧光强度比值对温度越敏感，温度探测的性能越好。
[0012]温度标准偏差(δT)是评估比率荧光温度计可以分辨的最小温度的指标，其计算公式如下(Qiu,X.et al.Nat.Commun.11,1
–
9(2020).)：
[0013][0014]其中，S
R
是由公式(3)计算得到的相对灵敏度，R是荧光强度比值，δR/R代表测试的相对误差，其值由测试仪器决定。结合公式(3)和(4)可知，在其它条件相同时，相对灵敏度(S
R
)越大，温度标准偏差(δT)越小，说明比率荧光温度计可以探测到的温度差值越小，温度分辨率越高，比率荧光温度计的性能越好。比率荧光温度计的性能取决于测试材料。
[0015]可见，比率荧光温度计的性能取决于测温功能材料的信噪比(S/N)，相对灵敏度(S
R
)和温度标准偏差(δT)。所述测温功能材料的信噪比越高、相对灵敏度越高、温度标准偏差越低，说明比率荧光温度计的性能越好。
[0016]对于现有的比率荧光温度计而言，其主要存在以下问题：
[0017]首先，现有比率荧光温度计主要是基于可见波长(300～700nm)的温度探测，此类比率荧光温度计在探测温度时易受到被测物体(如：光电器件、生物组织)自身荧光的干扰(Liu,J.et al.ACS Photonics6,2479
–
2486(2019).Ruiz,D.etal.Adv.Funct.Mater.27,(2017).)，从而增加了无用信号的强度(I
N
)，降低了温度探测的信噪比(S/N)，进而降低了比率荧光温度计的准确性和可靠性。由于发光波长位于近红外(780～2000nm)的比率荧光温度计在工作时不会受到自身荧光的干扰(Jia,M.et al.Adv.Opt.Mater.8,1
–
7(2020).)，因此，其受到了大量的关注，目前发展十分迅速。
[0018]其次，现有的用于比率荧光温度计的材料具有严重的自吸收(self absorption) (Liu,J.et al.ACS Photonics6,2479
–
2486(2019).Ruiz,D.et al.Adv.Funct. Mater.27,(2017).)，所述自吸收是指材料的光致荧光光谱和吸收谱存在明显的重叠，导致材料发出的光会被自身吸收，这降低了有用信号的强度(I
S
)(Piotrowski, W.et al.J.Mater.Chem.C9,12671
–
12680(2021).)，进而降低了比率荧光温度计的信噪比(S/N)。
[0019]另外，现有比率荧光温度计的双发射的中心波长之间的差值(Δλ)小，所述双发射是指材料在相同激发波长下同时发出两种不同中心波长的荧光，所述中心波长是指荧光光谱中最高点对应的波长(Jia,M.et al.Adv.Opt.Mater.8,1
–
7 (2020).Shen,Y.,Lifante,J.,Fern
á
ndez,N.,Jaque,D.&Ximendes,E.ACS Nano 14, 4122
–
4133(2020).Sun,Z.et al.Nano Lett.21,6576
–
6583(2021).)，这导致了收集荧光信号时两个荧光波长之间会有重叠，即存在信号串扰，这会使两个荧光波长的信号难以区分，这降低了有用信号的强度(I
S
)，进而降低了比率荧光温度计的信噪比(S/N)，影响温度探测结果的准确性(Wang,X.,Sun,Q.,Song,X.,Wang, Y.&Hu,W.RSC Adv.12,2721
–
2728(2022).)。
[0020本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种掺铒硅量子点晶体材料，其特征在于，所述掺铒硅量子点晶体材料的尺寸为3～5nm，其表面包含烷烃配体，所述掺铒硅量子点晶体材料为金刚石结构的晶体，所述掺铒硅量子点晶体材料晶格内的Er
3+
浓度≥1
×
10
18
cm
‑3，所述掺铒硅量子点晶体材料晶格内的Er
3+
基本上全部具有光学活性，所述掺铒硅量子点晶体材料(111)晶面的晶面间距为0.315～0.320nm；优选的，所述掺铒硅量子点晶体材料双发射的中心波长的差值Δλ≥600nm；优选的，所述掺铒硅量子点晶体材料双发射的中心波长的差值Δλ≥710nm；优选的，所述掺铒硅量子点晶体材料双发射的中心波长分别为830nm附近和1540nm附近，其中，中心波长830nm附近对应硅量子点的发光，中心波长1540nm附近对应Er
3+
的发光；优选的，所述掺铒硅量子点晶体材料的形状为球形；优选的，所述Er
3+
全部存在于所述掺铒硅量子点晶体材料的晶格内；优选的，所述掺铒硅量子点晶体材料的尺寸为4nm；优选的，所述的烷烃配体选自C7～C18烷烃的任意一种或任意多种；优选的，所述烷烃配体对应的碳氢单键的信号峰在2800～3000cm
‑1；优选的，所述掺铒硅量子点晶体材料的相对灵敏度≥3％K
‑1，最大温度标准偏差≤0.02K，重复性≥98％；优选的所述相对灵敏度为3.05％K
‑1；优选的，所述掺铒硅量子点晶体材料晶格内的Er
3+
浓度为3.0
×
10
19
～5.0
×
10
20
cm
‑3；更优选的，所述掺铒硅量子点晶体材料晶格内的掺Er
3+
浓度为1.0
×
10
20
cm
‑3。2.根据权利要求1所述的晶体材料，其特征在于，在297～477K范围内，所述硅量子点的荧光强度(I1)随温度的升高而下降，而Er
3+
的荧光强度(I2)随温度的升高基本不变；优选的，荧光强度比值(R)随着温度(T)的增加而线性降低，两者的关系满足以下线性方程：R＝266.33
‑
0.53
×
T其中，R＝I1/I2，I1是指掺铒硅量子点晶体材料荧光光谱在500～1200nm范围内的一重积分的数值，I2是指掺铒硅量子点晶体材料荧光光谱在1400～1600nm范围内的一重积分的数值。3.根据权利要求1或2所述的晶体材料，其特征在于，所述掺铒硅量子点晶体材料在300～600nm波长激光的激发下，能发出中心波长为830nm附近和1540nm附近的光；优选的，所述掺铒硅量子点晶体材料在405nm附近波长激光的激发下，能发出中心波长为830nm附近和1540nm附近的光。4.一种掺铒硅量子点晶体材料薄膜，其特征在于，所述薄膜包含权利要求1
‑
3任一项所述的掺铒硅量子点晶体材料。5.权利要求1
‑
3任一项所述的晶体材料的制备方法，其特征在于，包含以下步骤：1)采用非热等离子体法制备掺铒硅量子点晶体材料颗粒；2)利用氢化硅烷化对所述掺铒硅量子点晶体材料颗粒进行表面改性，制得掺铒硅量子点晶体材料。6.根据权利要求4所述晶体薄膜的制备方法，其特征在于，将权利要求5所述制备方法的步骤2)制得的掺铒硅量子点晶体材料进行旋蒸，然后再用溶剂溶解掺铒硅量子点晶体材料，加热去除所述溶剂后制得掺铒硅量子点晶体材料薄膜；
优选的，所述的溶剂为沸点低于150℃的低沸点溶剂，更优选的，所述的溶剂为甲苯；优选的，所述加热条件为...

【专利技术属性】
技术研发人员：皮孝东，王坤，何强，杨德仁，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：