石墨烯量子點領域研究獲系列進展

石墨烯量子點、碳點等零維碳納米材料以其獨特的光學、電學性質，在近年來受到了廣泛關注，然而sp²-sp³混合雜化碳納米結構帶來的復雜體系使得該類材料的光致發光機制研究面臨挑戰。目前研究手段分為控制變量實驗歸納與機器學習分析兩種。然而，控制變量歸納方法難以得到描述構效關系的精確數學模型。另一方面，通過機器學習策略所得到的數學模型背后的物理機制闡釋仍然缺乏。

針對上述研究困境，中國科學院上海微系統與信息技術研究所丁古巧課題組通過石墨烯量子點的可控“自下而上”法制備、圖卷積網絡分析、主成份分析、光致發光經典物理模型的結合，在室溫固態磷光發光機制及熒光量子產量提升機制兩個領域取得突破。更重要的是，通過選擇具備實際物理內涵的結構特性參數，結合經典物理模型對機器學習所得數學模型所蘊含的物理機制的闡釋，為復雜納米結構的構效關系研究提供了新的思路。相關研究成果分別發表于《先進材料》和《先進功能材料》。

在石墨烯量子點室溫固態磷光機制研究方面，研究團隊借助圖卷積網絡分析，對石墨烯量子點理想模型中結構孔隙率及結構可變性進行評估，并分析發現了石墨烯量子點結構非規則度與磷光壽命之間的線性關系。進一步地，研究團隊與光致發光過程中輻射躍遷壽命物理模型結合，證明了石墨烯量子點結構非規則度與磷光過程中振子強度的直接關聯。在此基礎上，團隊通過雙組份“自下而上”反應過程中前驅體對稱性匹配度的選擇，實現了石墨烯量子點中非規則度的調制以及在無固態介質存在下磷光壽命的重要突破，并獲得了紅色與藍色磷光發射的摻雜石墨烯量子點。

雙組份“自下而上”反應體系中前驅體對稱性匹配度控制下的石墨烯量子點結構非規與其磷光壽命之間的關聯 圖片來源于《先進材料》

在石墨烯量子點熒光量子產率提升機制研究方面，研究團隊利用高結構剛性sp³前驅體與柔性sp²結構前驅體之間的“自下而上”反應，實現了石墨烯量子點熒光量子產率調制，并闡明了sp³剛性結構通過抑制非輻射躍遷提高石墨烯量子點量子產率的物理機制。團隊結合群論和主成份分析，明確了在石墨烯量子點制備過程中，結構因子、溫度因子和濃度因子是影響石墨烯量子點熒光量子產率的三個決定性因素。此外，機器學習結果表明，分子的簡正振動是前驅體對稱性作用于石墨烯量子點量子產率增量的核心物理機制。基于此，研究團隊成功獲得了絕對量子產率為83%的石墨烯量子點。

結合群論的主成分分析方法揭示雙組份“自下而上”多變量反應體系中各種特征參量作用于石墨烯量子點的熒光量子產率物理機制 圖片來源于《先進功能材料》