深能级缺陷用于引发并提高硫化铋的光热性质

基于纳米材料的光热疗法随着纳米技术的迅猛发展引起人们的密切关注。基于硫化铋（Bi₂S₃）纳米材料优异的X射线CT成像和辐射敏化作用以及近红外光激发下的光热性质正广泛应用于癌症治疗，然而其光热机理并不明晰。由于Bi₂S₃纳米材料自由载流子浓度很低，传统的表面等离子体共振机理并不适用，极大地限制了光热性能的提升。

中国科学院长春应用化学研究所的张海元研究员（点击查看介绍）课题组通过深能级缺陷理论，首次揭示了窄带系硫化铋纳米材料区别于传统材料基于等离子共振的光热本质。研究发现，Bi₂S₃纳米棒中存在硫空位（V_S）和铋取代硫（Bi_S）两种缺陷，可以作为深能级缺陷引起光生电子和空穴的非辐射复合，产生声子，从而引发光热现象。以此为基础，该课题组利用Bi₂S₃的能带结构、Bi_S的缺陷能级位置以及金（Au）费米能级位置之间的关系制备了Bi₂S₃-Au异质结构纳米材料。该材料一方面能够形成新的Bi_S缺陷，提高光生电子空穴的非辐射复合几率；另一方面基于Bi₂S₃导带位置、Au的费米能级及Bi_S缺陷能级间合理的能级匹配，Bi₂S₃中的光生电子通过Au的能级转移到Bi_S缺陷能级，进一步增加了电子和空穴的非辐射复合几率。因此，Bi₂S₃-Au异质结构纳米材料在近红外光的激发下可以产生比Bi₂S₃纳米材料更多的声子，从而将近红外光热转换效率从33.6%提高到51.1%。该光热机制的提出为阐明半导体光热材料，尤其是自由载流子浓度较低的半导体材料的光热机制提供了理论依据，并为提高该类半导体材料的光热效率提供了可行的方法。细胞和活体实验进一步验证了其在肿瘤光热消融治疗中的高效性和安全性。

相关工作发表在Angew. Chem. Int. Ed. 上。张海元研究员课题组长期致力于纳米材料生物安全与应用相关领域多学科的研究，当前着重关注具有优良光电子特性的纳米材料对生物体系及疾病的操控。

该论文作者为：Dr. Yan Cheng, Yun Chang, Yanlin Feng, Hui Jian, Prof. Zhaohui Tang, Prof. Haiyuan Zhang

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Deep‐Level Defect Enhanced Photothermal Performance of Bismuth Sulfide–Gold Heterojunction Nanorods for Photothermal Therapy of Cancer Guided by Computed Tomography Imaging

Angew. Chem. Int. Ed., 2018, 57, 246, DOI: 10.1002/anie.201710399

导师介绍

张海元

http://www.x-mol.com/university/faculty/48529

课题组主页

https://zhanghaiyuan.wixsite.com/ciac-en