在设计太阳能电池、光催化剂和光电探测器等光电设备时，科学家通常会优先考虑稳定且具有可调特性的材料。这使他们能够精确控制材料的光学特性，并确保在不同的环境条件下随时间保持其特性。有机-无机纳米杂化物由有机配体通过配位键连接到胶体无机纳米晶体表面组成，在这方面很有前途。由于有机配体在反应性无机纳米晶体周围形成保护层，因此已知它们表现出增强的稳定性。然而，已发现有机配体的掺入会降低无机纳米晶体的电导率和光子吸收效率。

在一项关于配体-纳米晶体相互作用的突破性研究中，来自日本的研究人员现在证明了有机配体在纳米晶体表面的准可逆置换。他们的发现于 2023 年 5 月 9 日发表在A CS Nano期刊上，为人们普遍认为有机配体锚定在纳米晶体表面提供了新的视角。日本立命馆大学 Yoichi Kobayashi 教授领导的研究小组发现，通过将材料暴露在可见光下，可以可逆地置换带羧基的苝双酰亚胺 (PBI) 和无机硫化锌 (ZnS) 纳米晶体之间的配位键。

为了揭示有机-无机纳米杂化物的这种新行为，Kobayashi 教授说：“我们通过使用具有羧基 (PBI) 配位的硫化锌 (ZnS) NCs (PBI) 的苝双酰亚胺探索了有机-无机纳米杂化物系统的配体特性–ZnS) 作为模型系统。我们的发现提供了第一个用半导体纳米晶体光诱导芳香配体置换的例子。”

在他们的研究中，研究人员进行了理论分析和实验研究，以了解该材料独特的光诱导特性。他们首先进行了密度泛函理论计算，以研究 PBI-ZnS ([PBI-Zn 25 S 31 ] - ) 在其基态和第一激发态下的结构和轨道。接下来，他们进行了时间分辨脉冲受激拉曼光谱，用超快激光激发样品。这有助于他们分析相应的拉曼光谱，揭示 PBI-ZnS 激发态的性质。

实验观察和计算表明，在光激发时，PBI 分子会激发一个电子，相应的“空穴”(由于没有电子而形成的空位)迅速从芳香族配体 (PBI) 移动到 ZnS。这导致长寿命的带负电荷的 PBI 离子从 ZnS 纳米晶体的表面置换。然而，随着时间的推移，置换的配体与 ZnS 纳米晶体的表面缺陷重新结合，导致配位 PBI 的准可逆光诱导置换。值得注意的是，本研究中观察到的配位体分子的动态行为不同于典型的光诱导电荷转移过程中观察到的动态行为，在典型的光致电荷转移过程中，空穴通常保留在供体分子上，使其能够快速与电子重新结合。

Kobayashi 教授在解释这些发现的重要性时说：“准确理解配体-纳米晶体相互作用不仅对基础纳米科学很重要，而且对使用纳米材料开发先进的光功能材料也很重要。其中包括使用可见光分解持久性化学物质的光催化剂和用于可穿戴设备的光导微电路图案。”

事实上，这项研究的结果为增强带有芳香分子的无机材料的可调性和功能性提供了一条有前途的途径。反过来，这可能会在未来对基础纳米科学和光化学领域产生重大影响。

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