溶液相碳點(diǎn)基室溫磷光材料研究取得重要進(jìn)展

華南農(nóng)業(yè)大學(xué)材料與能源學(xué)院教授劉應(yīng)亮/莊健樂團(tuán)隊(duì)聯(lián)合荷蘭格羅寧根大學(xué)教授Jianting Ye、美國(guó)斯坦福大學(xué)研究員張興才等在溶液相碳點(diǎn)基室溫磷光材料研究方面取得重要進(jìn)展。近日，相關(guān)成果發(fā)表于《德國(guó)應(yīng)用化學(xué)》（Angewandte Chemie International Edition）。

碳點(diǎn)封裝在氟化釔鈉納米晶體中的磷光發(fā)射機(jī)理及其在溶液相中的磷光發(fā)射。研究團(tuán)隊(duì)供圖

碳點(diǎn)作為一種新興的碳基發(fā)光材料，近年來在發(fā)光領(lǐng)域備受矚目，其室溫磷光現(xiàn)象更是吸引了眾多研究者的關(guān)注。然而，由于溶解氧和溶劑分子強(qiáng)烈的猝滅效應(yīng)，往往會(huì)導(dǎo)致三重態(tài)激子的非輻射躍遷增強(qiáng)，這使得在溶液中實(shí)現(xiàn)高效穩(wěn)定的碳點(diǎn)基室溫磷光發(fā)射面臨諸多挑戰(zhàn)。過往研究顯示，宿主基質(zhì)提供的剛性環(huán)境可以抑制分子的振動(dòng)并減少非輻射弛豫，從而增強(qiáng)三重態(tài)激子的輻射躍遷。同時(shí)，剛性基質(zhì)可以將碳點(diǎn)與氧氣、溶劑分子隔離開，從而避免三重態(tài)激子猝滅。

盡管如此，目前大多數(shù)通過基質(zhì)輔助方法制備的碳點(diǎn)基磷光材料僅能在固態(tài)下發(fā)射出磷光，而在水等溶液中往往觀察不到磷光現(xiàn)象。究其原因：一方面，部分基質(zhì)易溶于水，或者過量的水會(huì)破壞基質(zhì)與碳點(diǎn)之間的相互作用，從而導(dǎo)致磷光的猝滅；另一方面，一些基質(zhì)顆粒尺寸過大，難以在溶液中均勻分散。

該研究在國(guó)家自然科學(xué)基金、廣東省基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究基金等項(xiàng)目的資助下，通過一步高溫共沉淀法，將檸檬酸鹽衍生的碳點(diǎn)封裝到氟化釔鈉納米晶中，成功實(shí)現(xiàn)了碳點(diǎn)在溶液中的室溫磷光發(fā)射。研究結(jié)果表明，檸檬酸鹽衍生的碳點(diǎn)表面具有豐富的C=O基團(tuán)，可以增強(qiáng)自旋-軌道耦合過程，從而促進(jìn)系間竄躍，產(chǎn)生三重態(tài)激子。碳點(diǎn)表面的羧酸根基團(tuán)和金屬陽離子之間形成穩(wěn)定的離子鍵網(wǎng)絡(luò)，抑制了三重激子的非輻射躍遷，增強(qiáng)了碳點(diǎn)的磷光發(fā)射。同時(shí)，結(jié)晶良好的鈉釔氟化物基質(zhì)通過空間限域作用穩(wěn)定了碳點(diǎn)的三重態(tài)激子，并保護(hù)碳點(diǎn)的磷光不受溶劑和溶解氧的猝滅。

此外，研究人員通過復(fù)合材料的表面改性，疏水性的碳點(diǎn)@氟化釔鈉-OA可以轉(zhuǎn)化為親水性的碳點(diǎn)@氟化釔鈉，使復(fù)合材料可以在水和有機(jī)溶劑等溶液相中實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的碳點(diǎn)基磷光發(fā)射。鑒于復(fù)合材料具有良好的穩(wěn)定性和溶液可加工性，該研究還展示了其在3D打印發(fā)光纖維、木漆防偽圖案和細(xì)胞成像中的應(yīng)用潛力。

該研究為新型溶液相碳點(diǎn)基磷光材料的構(gòu)建提供了新思路。