抗聚集诱导荧光猝灭的固态发光碳纳米点

碳纳米点（碳点，CDs）通常被认为是粒径在10 nm以下，由具有类石墨烯堆积结构的碳核和表面官能团两部分组成的纳米粒子。碳点由于其独特的低毒性、易制备、良好的光稳定性及可调的发光等特性受到了广泛的关注，在能源、催化、光电器件、生物医疗和信息加密等多个领域都有很好的应用前景。但是，多数碳点在聚集态由于粒子间相互作用会产生能量转移、表面电子跃迁和碳核间π–π相互作用等非辐射跃迁方式，使得本身在溶液相中具有荧光特性的碳点在聚集态时发生荧光猝灭，这种现象被称为聚集诱导荧光猝灭效应(ACQ)。聚集诱导荧光猝灭（ACQ）效应的存在使得碳点在固态发光领域的发展受到了限制，因此，制备具有抗ACQ效应的固态发光碳点是碳点研究领域的一个重要方向。

近日，中国澳门大学曲松楠教授团队在《发光学报》发表了题为“抗聚集诱导荧光猝灭的固态发光碳纳米点：制备、光物理性质及应用”的综述文章。该综述根据固态发光碳点研究的最新进展，从碳核、表面态调控、超分子及聚合物交联增强发光方面分类总结了具有抗ACQ效应固态发光碳点的制备方法及光物理性质，探讨了其实现固态发光的物理机制。此外，还介绍了此类碳点在固态发光领域的应用进展，并对固态发光碳点的发展现状和所面临的问题进行了讨论。

1. 引言

相对于目前常用的发光材料，如稀土材料、有机材料、无机半导体材料等，碳点原料来源广泛，制备方法简单，成本低，具有良好的生物相容性和环境相容性，有潜力开发为稳定、高效的新型发光材料。然而，由于ACQ效应的存在，使得具有固态发光特性的碳点的研究相对缓慢，限制了碳点体系在固态发光方向的应用。目前常用的将碳点分散至固态基质中抑制ACQ效应的方法会使得碳点发光特性受基质及掺杂浓度影响，故而合成自身具有抗ACQ效应的固态发光碳点引起了研究者的广泛关注，并得到了快速发展。

2. 抗聚集诱导荧光猝灭碳纳米点的制备方法及光物理性质

图1 碳点的抗ACQ效应 (Fig. 1 Anti-ACQ effect of carbondots)

碳点的结构和发光机理尚不明晰，目前广泛接受的研究结果表明碳点的发光主要来源于碳核发光和表面态发光；此外，调控碳点纳米粒子之间的组装、相互作用方式同样可以调控其发光特性。在研究碳点发光特性的同时，如何克服ACQ效应是制备固态发光碳点要解决的另一个主要问题。已有的研究结果表明，碳点ACQ效应的产生主要是由于粒子在一定的距离内产生的能量传递或电子非辐射跃迁。为了抑制这两种物理过程，科研人员提出了多种解决方式，主要包括碳核、表面态调控及交联增强实现碳点固态发光(图1)。

在碳核作为荧光发射主导的碳点中，sp2杂化域的存在直接与碳点的荧光特性相关联，但与此同时，大量sp2杂化域的存在也使得碳点在聚集态粒子间的π-π相互作用更强，电子非辐射跃迁导致碳点聚集态荧光猝灭。将大尺寸的sp2杂化域进行“分割”可以减弱/抑制π-π相互作用，从而阻止非辐射跃迁的产生。此外，也可以通过合成尺寸均一的碳点抑制不同粒径和发光带隙碳点之间的能量转移。通过掺杂杂原子的方法也可以调控碳点的电子结构和能带从而达到抑制ACQ效应的效果。

由于碳点具有丰富的表面官能团，碳点表面的物理化学特性和聚集态中纳米粒子间的表面相互作用也是影响其固态发光的重要因素。通过表面官能团的合理选择和后处理，获得表面化学环境均一的碳点可以抑制碳点聚集引起的新的表面态吸收及无辐射跃迁，提高碳点固态发光量子效率。

碳点丰富的表面官能团可以实现多种超分子相互作用，包括氢键、静电相互作用等。在聚集态碳点中，纳米粒子之间的超分子相互作用可以影响纳米粒子的堆积结构及聚集体的能级和电子分布，进而调控碳点的固态发光性能。除了利用分子间的相互作用，一些碳点在碳核内部也可以形成聚合物交联结构，分散碳点内部及表面的发光中心，从而避免ACQ效应，实现高效固态发光。

3. 固态发光碳点的应用

碳点在克服了ACQ效应后拓宽了其在固态发光领域的应用范围，包括照明、光通讯及信息加密等。而相较于通过基质掺杂获得的固态发光碳点体系，具有自身抗猝灭特性的固态发光碳点性质更加稳定，不仅使得碳点在溶液中的连续可调发光可以在固态应用中实现，而且亮度更高且发光更加均匀，排除了掺杂比例因素的影响，可重复性更强，在固态照明、可见光通讯、信息加密等方向都具有很好的应用前景。

4. 总结与展望

已有的研究通过碳核、表面态调控，超分子、聚合物交联增强等方法实现了碳点从蓝光至红光区的高效固态发光，证明了固态发光碳点在发光器件、信息加密等领域的应用潜力。目前，抗ACQ效应的固态发光碳点研究仍处于起步阶段，为成为理想的固态发光材料，此类碳点在研究中仍有很多问题有待解决：

(1)碳点的结构和内在发光机理仍需要深入探索，了解其结构与发光性质的内在联系，得出普适性的碳点发光机理以实现碳点的可控合成。

(2)对导致碳点产生ACQ现象的结构特点和物理机制仍需要更深入明确的认识，以此为基础探索更多抗ACQ效应的方法，丰富固态发光碳点材料体系并调控其发光性质。

(3)与稀土、量子点等固态发光材料相比，碳点的物理化学性质仍需要进一步优化，以期获得具有实际应用价值的高性能碳点固态发光材料，克服碳点在现有应用（例如高品质光致/电致发光器件）中的不足，并拓展碳点的应用范围。

论文信息：

曲彦霏, 李迪, 曲松楠. 抗聚集诱导荧光猝灭的固态发光碳纳米点：制备、光物理性质及应用[J]. 发光学报, 2021, 42(8):1141-1154.

论文地址：

DOI：10.37188/CJL.20210174

http://cjl.lightpublishing.cn/thesisDetails#10.37188/CJL.20210174

作者简介：

曲彦霏，硕士研究生，2018年于吉林大学获得学士学位，主要从事固态发光碳纳米点材料及应用方面的研究。

李 迪，博士，副教授， 2012年于吉林大学获得博士学位，主要从事碳纳米点发光特性及应用方面的研究。

曲松楠，博士，教授，博士研究生导师，2009年于吉林大学获得博士学位，主要从事碳基发光材料及应用方面的研究。

监制 | 郝振东、赵阳

编辑 | 赵唯

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