表面离子化退火调控深能态实现硫量子点高效红光发射

本研究创新性地提出"表面离子化退火"（surface ionization annealing）机制，通过精准调控硫量子点（S-dots）表面电荷和悬空键，将随机分布的深能态（deep energy states）转化为窄分布高态密度的辐射复合中心，首次实现硫量子点15.6%量子产率（PLQY）的稳定红光发射，为半导体材料的光学性能调控提供了新范式。

　　

深能态发光机制的突破性发现

在半导体物理领域，深能态（deep energy states）传统上被视为需要钝化的缺陷态。这项研究颠覆性证实，通过创新的"表面离子化退火"技术，深能态可转化为高效发光中心，在硫量子点（S-dots）中实现前所未有的红光发射性能。

深能态的可控构建与表征

研究团队选择具有2.8 eV宽禁带的硫量子点作为载体，通过将氮原子插入表面S₈环结构间隙（N1和N2位点），成功构建红光相关的深能态。密度泛函理论（DFT）计算显示，氮掺杂形成的最高占据分子轨道（HOMO）与最低未占分子轨道（LUMO）能隙为2.02-2.04 eV（614-608 nm），与红光波段完美匹配。透射电镜（TEM）证实量子点尺寸稳定在7.2 nm，X射线衍射（XRD）显示其保持正交S₈相结构。

表面离子化退火的调控机制

受半导体退火工艺启发，研究提出"表面离子化退火"新概念。通过乙醇处理调控表面电势：

1）傅里叶变换红外光谱（FTIR）显示S=O键（1117 cm^-1）减少，新出现S-O键（1048 cm^-1）

2）Zeta电位从-10.2 mV降至-18.0 mV

3）将原本宽分布（>0.3 eV）的低态密度深能态，转化为窄分布的"类带边"高态密度能级

光学性能的显著提升

该技术带来三重突破：

1）吸收光谱出现明显的带边特征

2）光致发光量子产率（PLQY）从0.41%提升至15.6%

3）发射波长稳定在614 nm，不受460-580 nm激发波长影响

时间分辨光谱显示辐射复合速率达0.07×10⁹/s，寿命为2.36 ns

生物医学应用的验证

通过系统评估证实硫量子点的生物安全性：

1）MTT实验显示100 μg/mL浓度下细胞存活率>90%

2）小鼠30天实验未发现心、肝、脾、肺、肾的器质性损伤

3）血液生化指标（BUN、CRE、ALT、AST等）均在正常范围

活体成像实验清晰显示量子点在肝脏的特异性富集，验证其在生物标记中的应用潜力

该研究不仅首次实现硫量子点的红光发射，更开创了深能态发光的新范式。通过表面离子化退火技术，将传统认为有害的深能态转化为高效发光中心，为半导体光电器件和生物医学探针的开发提供了全新思路。