金属卤化物钙钛矿（lead halide perovskite）半导体材料具优异光电性能，近年来被科学界广泛应用于太阳能电池、光电探测器和激光器（laser device）等研究领域。然而，钙钛矿半导体有一个弱点，就是遇水容易潮解，限制了其应用。由香港城市大学（香港城大）研究人员领导的一项研究就针对此弱点，开发出新的钙钛矿材料化学合成方法，成功克服容易潮解的问题。该项研究更加开拓了钙钛矿材料在生物成像、荧光标记等领域的潜在应用。

研究由香港城大材料科学及工程学系副教授雷党愿博士领导。研究结果早前在科学期刊《自然通讯》（Nature Communications）上发表，题为〈Water-Resistant Perovskite Nanodots Enable Robust Two-Photon Lasing in Aqueous Environment〉。

封存于二氧化硅颗粒内的钙钛矿量子点

钙钛矿半导体于潮湿环境易分解，严重削弱了材料的光电性能，并且阻碍了其器件应用的发展。雷博士说：“即使是潮湿的空气，都能破坏钙钛矿半导体的结构稳定性，湿度愈高就分解得愈快。”

为了解决此问题，雷博士的研究团队研发出简单、有效的化学合成方法，把大约几十颗直径只有10纳米长的钙钛矿量子点（quantum dots），通过“Pb-S”配位成键（Pb-S bonding）将其封存在直径约170纳米的二氧化硅颗粒中，合成出钙钛矿/二氧化硅复合纳米粒子（nanodots）。这些纳米粒子耐水兼光学性能优异，在水中更可以持续稳定发射出荧光超过6周。

这次技术的突破在于成功制备出体积很细小、平均直径只有约170 纳米的耐水钙钛矿纳米粒子。雷博士指出，过去也有研究人员用类似二氧化硅外壳来包裹钙钛矿纳米晶体的方法，但制备出的材料直径最小也有500 纳米，由于接近很多光学器件的激发和操作波长，因此部分光会被散射掉，不利应用于光学器件集成。他和团队于是从制备材料的化学成分入手，作出调整，从而成功研制出这样细小的纳米粒子，同时具有更优异的防水性能。

纳米粒子体积小  可用于光学器件集成

雷博士解释，由于纳米粒子的直径仅为170纳米，远小于近红外光波长，所以耐水钙钛矿纳米粒子可以作为增益介质（gain medium，用来放大光功率，促使激光的形成），注入激光器的光学微腔（optical microcavity）里 。另外，被包裹的钙钛矿结构没有变化，光学性能仍然优异。

研究团队发现，把没有被二氧化硅包裹的钙钛矿量子点放进水中，光致发光强度（photoluminescence intensity, 意指物质吸收光子后，所发射的光的强度）几乎立刻跌至零，而被二氧化硅包裹的耐水钙钛矿纳米粒子则即使放在水中逾20日，仍然保持50%的光致发光强度。

实验证明防水兼光学性能优异

为了测试耐水钙钛矿纳米粒子的耐水性能，研究团队将其加入一个双光子泵浦源回音壁模式激光器（two-photon-pumped whispering-gallery mode laser device）。实验结果显示，激光器在水中浸泡13个小时后，仍能保持八成的光致发光量子产率（Photo-Luminescence Quantum Yield，可理解为有效利用吸收光的效率）。相反，利用没有被二氧化硅包裹的钙钛矿量子点制备的激光器，在水中的光致发光量子产率在3个小时后已经跌至少于10%。

研究团队亦将耐水钙钛矿纳米粒子制备成一个双光子泵浦源的随机激光器（two-photon-pumped random laser），并发现在水中浸泡15天仍能操作。 “实验结果证明，运用我们新技术制备的钙钛矿纳米粒子防水，而且光学性能优异。”雷博士总结说。

耐水特性开拓生物成像领域的潜在应用

雷博士表示，该研究花了2年多时间完成。他相信这项研究成果有助加速钙钛矿量子点激光器的产业化应用进程，以及扩展钙钛矿量子点在生物成像、生物传感等领域的多元化研究。他表示，团队会与生物医学工程的专家合作，朝着生物成像的应用方向继续钻研。他说：“过去因为钙钛矿材料于潮湿的环境都很不稳定，所以不能作为生物成像探针用于含有水份的细胞，但我们的技术令钙钛矿变得耐水，打破了这个限制。例如将钙钛矿纳米粒子放在活细胞上，然后打进800纳米的飞秒激光，用相关仪器就可以进行深层组织生物成像（deep-tissue bioimaging）。”

雷博士是论文的通讯作者，而论文的第一作者是他曾指导的博士生、现为博士后研究员的李思祺。来自香港城大的研究团队成员还包括学务副校长兼化学及材料科学讲座教授任广禹教授、材料科学及工程学系光子材料讲座教授兼功能光子研究中心创始主任Andrey Rogach教授，以及博士生吴圣钒。来自剑桥大学的Manish Chhowalla教授和来自香港理工大学的朱叶博士亦是研究团队成员之一。

这项研究获得香港城大、香港研究资助局、香港理工大学和裘槎基金会等的资助进行。

DOI number: 10.1038/s41467-020-15016-2

本文已于 “香港城大研创” 微信公众号发布。 Wechat ID: CityU_Research