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学会常务理事、青年工作委员会副主任曾海波教授在荧光碳白光LED研究获得重大突破

上传时间:2014-09-15  发布者:江苏省颗粒学会  点击率:554


众所周知,通常情况下碳是黑色的。但是,研究人员最近发现,当碳材料的尺寸小到一定程度时,在外界光源的激励下能发出鲜艳夺目的彩色荧光。与传统发光材料相比,比如无机半导体量子点、稀土掺杂荧光粉、及有机荧光染料,这种碳荧光材料具有低毒、廉价、稳定、良好的生物相容性和水溶性等一系列突出的优点。因此,在短短几年内受到了国际上的广泛关注,已经成为了一种在生物成像、LED照明等等方面极具潜力的新兴荧光材料。然而,其发光机理仍然存在很多争议,这严重阻碍了这种荧光材料的发展。另一方面,固态荧光猝灭效应成为了它LED应用的一个最大问题。


最近,南京理工大学纳米光电材料研究所曾海波团队提出了表面态工程的思路,通过表面胺基的变化来实现表面态调控,最终获得了激发依赖和非依赖的两类具有典型光学性质的样品,最高量子效率达到了44.7%。他们采用简单的水热方法以及生活中常见的柠檬酸和尿素为前驱体,实现了碳量子点表面态工程的可控操作。其中,尿素同时起到了提供碳源和胺基两个作用。由于胺基在高温下不稳定,因此,当温度较高时,胺基的含量就会因分解而降低,对材料的钝化程度也就降低,当温度较低时则正好相反。这样,他们分别在200度以上和200度以下获得了激发依赖和非依赖的两类典型样品,该结果与理论分析和设计符合得很好。后续光学性质,微结构的表征以及理论计算均证实了方案的准确性和表面态工程的可控性、可靠性,并通过形成复合材料获得了多色发光。此外,该材料作为荧光探针被首次应用在了水中有毒金属铍离子的检测上,结果表明该材料对铍离子具有高度的选择性和灵敏度,其最低探测浓度达到了ppb量级(微克每升),与传统的有机材料相比,成本大大降低。该工作以题为“Engineering surface states of carbon dots to achieve controllableluminescence for solid-luminescent composites and sensitive Be2+detection”发表于Scientific Reports,2014, 4, 4976-4983。文章链接:http://www.nature.com/srep/2014/140515/srep04976/full/srep04976.html?message-global=remove




图1,左, 本工作中设计的两类激发依赖性与表面态;右, 表面态工程导致的多色发光。

图2,左, 不同形态碳点及其固态发光;右, 以碳点为荧光粉LED白光输出光谱。


荧光碳材料拥有丰富的表面基团,使得它们即是电子供体,又是电子受体,从而在临近的颗粒之间形成静电相互作用及电子转移。因此,这些丰富的表面基团一方面让荧光碳材料拥有可调的荧光性质,另一方面却有可能是固态猝灭效应的根源。此外,如果能使颗粒之间相互支撑,从而减弱团聚的作用以减小π-π堆积导致的猝灭效应并获得固态发光,将极大地拓展该类材料的应用领域,尤其是目前国家大力提倡的白光LED应用。若其效率能接近传统的稀土类荧光材料,其应用前景将由于价格优势而极为广阔。


曾海波团队针对此问题提出了一种策略:通过较为精确的反应控制,利用线性聚合物的横向聚合及其稳定性,获得了相对单一的表面态和一种相互支撑的碳纳米环新结构。由于相对单一的表面态,使得上面提到的相互作用大大降低;而这种相互支撑的碳纳米环结构,也有效地降低了团聚作用。由于以上两点,他们成功实现了荧光碳材料的固态发光。材料的特殊结构,也为后续的发光机理的研究提供了良好的理论模型。光学性质的表征也与他们之前提出的发光机理吻合。随后,他们将该材料作为荧光粉制作了白光LED,光谱测试表明,制作的白光LED色坐标指数为(0.27,0.28),已较为接近理想的白光(0.33,0.33)。虽然量子效率较商用荧光粉偏低,但经过进一步的提高,有望实现高量子产率的白光LED,后续研究工作正在进行中。


这些结果将使人们对荧光碳量子点的发光机理获得全面而深入的理解,并有望在环境,低成本白光照明等领域中得到广泛应用。该工作以题为“Inter-crossed Carbon Nanorings with Pure Surface States as Low-costand Environment-friendly Phosphors for White-LEDs”发表于Angewandte Chemie International Edition, 2014, DOI: 10.1002/ange.201406836R1。文章链接:http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.201406836/abstract


该项研究得到了国家重大科学研究计划(2014CB931700-02)、国家基金委优秀青年基金(61222403)等项目的资助。