理化所發光碳量子點研究取得系列進展

　　碳元素是地球上所有已知生命的基礎，在人類歷史發展和現代科技進步中起到了舉足輕重的作用。伴隨C₆₀、納米碳管和石墨烯等納米碳材料的發展，近兩年碳量子點成為研究熱點。與先前的蜂房結構納米碳相比，碳量子點具有優越的發光性能；與半導體量子點相比，碳量子點發光更穩定、易于功能化和工業化、無毒、制備簡單廉價，預期將給發光材料、光電器件、綠色環保、生物醫學等領域帶來新的發展空間。在此背景下，開展碳量子點的基礎研究具有重要的理論意義和應用價值。

　　在國家自然科學基金支持下，中國科學院理化技術研究所分散體系化學與材料研究組自2008年以來圍繞發光碳量子點的制備、性能及其相關材料研究開展了一系列工作，取得良好的進展。最近兩年在合成方法、相關材料設計制備方面取得突破性進展。研究人員建立了在高溫溶劑中一步合成發光碳量子點方法，通過選擇性使用溶劑和表面包覆劑，獲得尺寸5nm左右的親油性和親水性的碳量子點，發光量子效率(QY)分別為61% (已經與半導體量子點相當)和47%，具有明顯的激發波長依賴的發光特性。以親油性的碳量子點為發光層，與中科院長春應化所合作，制作了首個碳量子點發光器件，器件具有明亮的白光，色坐標為（0.40, 0.43），CRI指數82。在電壓為9V時亮度達到最大（35cd/m²），最大外量子效率為0.083%。這是用發光碳量子點制作白光器件的首次嘗試。硅烷功能化的碳量子點還可用于細胞熒光標記。

　　上述研究結果在Adv. Funct. Mater（2011, 21, 1027）和ChemComm（2011, 47, 3502）雜志上發表后，立刻引起同行的關注和興趣。國際著名分析化學家Isiah M. Warner與美國12所大學的化學研究人員在聯合撰寫的綜述（Anal. Chem. 2012, 84, 597)中，連續用了兩個“首次”高度評價本項研究結果：“首次報告了用含氨基的有機硅烷配位溶劑，通過與檸檬酸進行酰胺化反應，在不到1分鐘的反應時間內形成發光碳量子點（47%QY）的新合成方法……研究小組首次證明了C-量子點可以作為新一類發光體用于發展高性能白光LED器件”。

　　此外，研究人員還發明了碳量子點原位預功能化技術，硅烷功能化的碳量子點可與多種有機硅烷水解共聚，實現碳量子點與基質的共價鍵化學連接、分子水平分散和任意濃度摻雜，獲得一系列均質碳量子點雜化復合材料和宏觀塊體。其中，有機無機雜化碳量子點共聚凝膠玻璃絕對發光效率最高可達88%，遠遠高于已報道的半導體量子點復合材料的最高發光效率；在可見和近紅外區域具有高透光率（~90%）；并具有優良的光、熱和力學穩定性。研究表明，碳量子點及其復合材料具有寬波段(532, 1064nm)光限幅性能。通過調整碳量子點的摻雜濃度（0-100%），可實現雜化復合材料的光、熱和力學多種性能的方便調控。

　　上述研究結果新近以通訊形式，發表在Adv. Mater.（2012，DOI:10. 1002/adma. 201104962）上。