通过激光-超声波处理在范德华材料上合成的二维和三维量子点的光致发光现象

《Nanoscale Advances》：Photoluminescence of 2D and 3D quantum dots synthesized by laser-ultrasonic treatment on van der Waals materials

本文提出并实现了一种两阶段方法，通过飞秒激光切割和超声处理在液体中合成范德华量子点。利用不同初始材料（压碎粉末或晶体）可制备二维平面量子点和三维球状量子点，并发现通过调节激光波长可控制其光致发光谱的分布范围。

　　这项研究提出并实施了一种通过激光烧蚀和超声处理相结合的两阶段方法，用于在液体中合成范德华量子点（QDs）。该方法利用不同形式的初始材料，如压制粉末靶材或过渡金属二硫属化物（TMDCs）晶体，成功制备了具有三维和二维结构的量子点，并展示了其在宽光谱范围内的光致发光（PL）特性。通过调节泵浦激光的波长，可以实现对这些量子点集合体光致发光光谱的直接控制。这一技术的创新性在于其提供了一种灵活、可控的方式，以获得具有特定光学特性的量子点，从而为多种应用开辟了新的可能性。

范德华量子点因其独特的光学性质和结构特点，在光电子学、生物成像、传感等领域具有重要应用价值。这类材料的量子限制效应本质上是各向异性的，可以分为两种主要的形态：一种是二维量子点（2D QDs），其在垂直于层平面的方向上具有较强的限制，而在层平面内则具有可调的尺寸；另一种是准球形的三维量子点（3D QDs），其光谱特性受到尺寸的影响。研究发现，通过选择不同的初始材料形态（如低密度压制粉末与高密度单晶），可以有效调控最终得到的量子点的尺寸和形态，从而获得具有不同光致发光特性的材料。

在第一阶段的激光烧蚀过程中，使用了1030 nm波长的飞秒Yb:KGW激光系统，该系统具有280 fs的脉冲持续时间和10 kHz的脉冲重复频率。烧蚀过程在去离子水中进行，样品放置在装有10 ml液体的试管底部，液面高度为4 mm。根据不同的材料类型，调整了烧蚀参数，如脉冲能量和烧蚀区域的尺寸。对于MoS?和WS?材料，使用了50 μJ的脉冲能量，烧蚀区域为4 mm × 4 mm的正方形，扫描速度为100 mm/s，持续时间为3分钟。而对于MoSe?和WSe?材料，使用了更高的脉冲能量（100 μJ）和更小的烧蚀区域（2 mm × 2 mm），扫描速度降低至20 mm/s，持续时间延长至10分钟。这些参数的调整有助于实现对不同材料特性的有效处理，从而获得具有不同形态的量子点。

第二阶段的超声处理则用于进一步调控量子点的形态和尺寸分布。超声处理的溶剂选择为N-甲基-2-吡咯烷酮（NMP），这是一种具有高流动性和小分子尺寸的溶剂，能够促进纳米颗粒的分散和稳定。在超声处理过程中，样品被置于超声探头下，探头的浸入深度为50 mm，处理时间为30分钟。同时，为了防止过热，超声处理是在冷水中进行的。通过这种两阶段处理方法，研究人员能够获得包含多种形态的量子点，如平面二维量子点和准球形三维量子点。

通过透射电子显微镜（TEM）和拉曼光谱等手段对所得量子点进行了表征。研究发现，使用压制粉末靶材烧蚀得到的量子点具有较为规则的平面结构，而使用晶体靶材烧蚀得到的量子点则呈现出准球形或不规则的形态。进一步的分析表明，超声处理能够有效破坏较大纳米颗粒的壳层结构，从而形成较小的二维量子点。这些量子点的尺寸分布较宽，光致发光光谱表现出明显的波长依赖性。在不同泵浦波长下，量子点集合体的光致发光峰值位置和强度都会发生变化，这反映了其尺寸和形态对光致发光行为的影响。

对于三维量子点，研究发现其在小于4–5层厚度时会表现出直接带隙特性，从而能够有效发光。而二维量子点由于其各向异性结构，能够展现出更广泛的光致发光特性。此外，研究还通过拉曼光谱和红外光谱分析了量子点的化学组成和结构特征，确认了其与初始材料的一致性。这些分析结果表明，通过调节激光烧蚀和超声处理的参数，可以有效地控制量子点的尺寸和形态，从而实现对光致发光特性的精准调控。

研究还探讨了不同形态量子点在光致发光行为上的差异。二维量子点的光致发光特性对泵浦波长高度敏感，而三维量子点的长波段发光则相对不敏感。这种差异源于量子点尺寸对带隙特性的调控作用。对于二维量子点，其光致发光行为受到层厚度和横向尺寸的共同影响，而三维量子点则主要由其整体尺寸决定。因此，通过选择不同的初始材料形态和调整处理参数，可以实现对量子点集合体光致发光特性的精确控制。

进一步的实验结果表明，超声处理不仅能够促进纳米颗粒的形成，还可能引入表面和边缘缺陷，以及碳基基团的修饰，这些都会对量子点的光致发光行为产生影响。然而，红外光谱分析显示，这些修饰对发光特性的影响较小，说明所得量子点的光致发光主要由其尺寸和形态决定。

本研究还指出，这种两阶段的合成方法具有重要的应用前景。二维量子点因其平面结构和各向异性发射特性，适合用于平面光学器件，如主动成像透镜、微激光器和发光超材料等。而三维量子点由于其良好的生物相容性，可能在诊疗应用中发挥重要作用。此外，研究建议未来的工作应进一步探索如何通过优化处理条件和材料选择，实现对量子点形态和尺寸的更精确控制，以获得具有特定功能特性的量子点材料。

总体而言，这项研究通过结合飞秒激光烧蚀和超声处理，为范德华量子点的合成提供了一种新的方法。该方法不仅能够制备出具有宽尺寸分布的量子点，还能通过调节泵浦波长来实现对光致发光特性的精准调控。这种可控的合成方式为后续研究和实际应用奠定了坚实的基础，也为进一步探索范德华量子点在不同领域的潜力提供了新的思路。