Onderzoekers bereiken een kwantumopbrengst van >99% fotoluminescentie in metalen nanoclusters

Moleculaire structuren van Au₂₂ en Au₁₆Cu₆ en structuuranatomie van Au₁₆Cu₆. Krediet: het team van prof. Zhou

Een onderzoeksteam heeft een bijna-eenheid fotoluminescentie-kwantumopbrengst (PLQY) (>99%) bij kamertemperatuur bereikt in de nabij-infrarood (NIR) emissie van metalen nanoclusters in oplossing. Hun werk is gepubliceerd in Wetenschap.

Gouden nanoclusters (Au NC’s) als NIR-emitterende materialen hebben potentieel in biomedische toepassingen. De PLQY van Au NC’s in de NIR-regio is echter doorgaans laag, vaak minder dan 10%. Om dit probleem aan te pakken, synthetiseerden onderzoekers Au₂₂(^TBuPhC≡C)₁₈(Au₂₂) en zijn met koper gedoteerde tegenhanger, Au₁₆Cu₆(^TBuPhC≡C)₁₈ (Au₁₆Cu₆), om hun fotofysische eigenschappen te bestuderen.

Röntgendiffractieanalyse met één kristal onthulde dat Au₂₂ en Au₁₆Cu₆ delen soortgelijke structuren. Au₂₂ vertoonde een emissiepiek bij 690 nm en Au₁₆Cu₆ bij 720 nm. De absolute PLQY van Au₂₂ en Au₁₆Cu₆ in de lucht waren respectievelijk 9% en 95%.

In de ontluchte oplossing is de PLQY van Au₁₆Cu₆ bereikte 100%, gemeten met zowel absolute als relatieve methoden. Tijdgecorreleerde telling van enkele fotonen mat de fotoluminescentielevensduur van Au₂₂ en Au₁₆Cu₆ respectievelijk 485 ns en 1,64 μs zijn.

Verder onderzoek van de dynamiek van de aangeslagen toestand van NC’s door middel van transiënte absorptiespectroscopie onthulde dat de luminescerende toestanden van beide NC’s afkomstig waren van de triplettoestand (T₁), met duidelijke dynamische processen waargenomen in femtoseconde transiënte absorptiespectroscopie. Onder excitatie van 380 nm, Au₂₂ liet een langzame stijging zien van 148 ps, terwijl Au₁₆Cu₆ vertoonde een snelle relaxatie van 0,5 ps.

Triplet-sensibilisatie-experimenten bevestigden dat deze processen worden toegeschreven aan ultrasnelle intersysteemovergang (ISC) vanuit singlet-toestand (S₁) aan T₁. Vanwege koperdoping is Au₁₆Cu₆ heeft een kleinere ∆E_st, waardoor het ISC-tarief aanzienlijk wordt versneld. Als gevolg hiervan heeft Au₁₆Cu₆ toont uiteindelijk PLQY bijna 100%.

De aanpak om bijna-eenheid PLQY te bereiken zou de ontwikkeling van zeer emissieve metaalclustermaterialen mogelijk kunnen maken. Concreet toont dit werk aan dat PLQY van bijna eenheid kan worden bereikt met een legering van goud-koper nanoclusters, zelfs in oplossing bij kamertemperatuur, wat toepassingen mogelijk zal maken variërend van biologische beeldvorming tot luminescerende apparaten.

Het onderzoeksteam bestond uit de groep van prof. Zhou Meng van de Universiteit voor Wetenschap en Technologie van China van de Chinese Academie van Wetenschappen (CAS), in samenwerking met het team van prof. Wang Quanming van de Tsinghua Universiteit.