Квантовые точки борофена с сильной фотолюминесценцией для селективного определения ионов металлов

Борофен представляет собой относительно малоизученный двумерный (2D) слоистый материал, характеризующийся высокой подвижностью носителей заряда и устойчивостью. Будучи самым лёгким двумерным слоистым материалом, квантовые точки борофена (BQDs) с малыми латеральными размерами вызвали значительный интерес научного сообщества, занимающегося исследованием материалов, благодаря своим уникальным электронным и оптическим свойствам. В данной работе методом свободного от загрязнений жидкофазного расслоения кристаллических фрагментов бора были синтезированы сверхмалые кристаллические квантовые точки борофена размером ∼4,1 и ∼9,2 нм. Согласно данным атомно-силовой микроскопии, BQDs имеют структуру из нескольких слоёв. Синтезированные BQDs демонстрируют исключительно интенсивную видимую фотолюминесценцию (PL) с высоким квантовым выходом PL (∼40%), причём длина волны излучения не зависит от длины волны возбуждения, в отличие от многих других двумерных квантовых точек. Спектр PL может быть разложен на четыре пика, интенсивности которых незначительно зависят от размера. Селективная координация различных ионов металлов (Fe3+, Cu2+, Ag+, Zn2+, K+, Pb2+, Mg2+, Na+, Ni2+, Hg2+, Mn2+, Ce4+ и Fe2+) с BQDs была систематически исследована методами PL и теории функционала плотности (DFT). Примечательно, что в присутствии ионов Fe3+ BQDs демонстрируют высокую степень тушения PL (>90%) и сверхнизкий предел обнаружения (∼5 нМ) при использовании PL. Предложенный сенсор впервые успешно применён для чувствительного обнаружения ионов Fe3+ на наномолярном уровне, а механизм сенсирования, включая селективность, подробно исследован с использованием расчётов DFT и феноменологического моделирования экспериментальных данных, что позволило количественно описать сенсирование в широком динамическом диапазоне. Полученные результаты свидетельствуют о значительном потенциале BQDs для разработки высокочувствительных газовых, молекулярных, био- и оптоэлектронных сенсоров в будущем.