上海大学Science子刊：碳，一定是黑色的吗？
王亮
2020-10-16
爱迪生发明或者改进白炽灯的故事，是家喻户晓的。然而，白炽灯虽然带来了光明，发光效率却并不是很高。20世纪以来，人造光源从白炽灯、荧光灯逐渐向发光二极管（LED）转变。2014年，诺贝尔物理学奖授予天野浩(Hiroshi Amano)、中村修二(Shuji Nakamur)和赤崎勇(Isamu Akasaki)，以表彰他们发明了高效蓝光LED，使明亮而节能的白色光源成为可能。要想实现白光LED，必须凑够红绿蓝三原色。在蓝色LED问世之前，红色和绿色的LED材料已经被发现，为什么蓝光（短波长）的LED灯如此的重要呢？这是因为，蓝光具有较高的能量，可以激发荧光材料发出比蓝光能量低的光，即波长较长的光。换言之，蓝光LED材料和不同荧光材料的组合可以创造更多种类的白光，为了寻找蓝色LED，科学家用了整整30年，这也是为什么诺贝尔奖单单授予蓝光LED发明者，而忽略其他颜色LED发明者的原因。白光发光二极管（WLED）凭借使用寿命长、结构紧凑以及显著的节能效果等优势，被认为是下一代照明设备的首选。当今白光主要是通过蓝光或紫光LED芯片与多色荧光粉的组合方式产生。在众多研究的新型荧光粉材料中，胶体半导体量子点成为显示和照明技术发展的潜在候选者。然而，绝大多数半导体量子点在合成、稳定性和环境安全性方面仍然具有挑战。近年来，环境友好、成本低廉以及稳定性高的碳量子点已作为开发WLED的新型荧光粉出现，有望成为光电器件关键材料。众所周知，通常石墨相的碳材料都是黑色的，在紫外光照射下不能产生荧光现象。有趣的是，当碳材料的尺寸小到10纳米以下，它的带隙就会被打开，具有半导体材料特性，在紫外光照射下就可以发出五颜六色的荧光。这样的碳材料我们称之为“碳量子点”。作为开发WLED的新型荧光粉，碳量子点具有独特的优势：然而，通常情况下，大多数碳量子点仅仅发射蓝色、绿色或黄色荧光，难以构筑基于碳量子点的各种类型的高显色指数WLED。因此，碳量子点发射光谱和荧光颜色可调局限性，成为了关键技术瓶颈。如何将碳量子点的荧光扩展到整个可见光光谱，并实现环境友好的规模化制备，最终构建多类型WLED模块，近年来一直是国际研究的热点。为了解决以上问题，上海大学吴明红教授，王亮副研究员课题组发展了一种酸试剂调控材料表面给电子基团/吸电子基团策略，实现了高亮度、高稳定的全色荧光碳量子点的合成，并成功地研制了全色发光膜以及多种类型的高显色指数WLED器件。1）材料表面给电子基团/吸电子基团调控策略制备高亮度、高稳定的全色荧光碳量子点。2）研制了基于碳量子点的全色发光膜和多种类型的高显色指数WLED器件。图1. 全色荧光碳量子点的酸试剂调控合成策略示意图及其荧光照片通过酸试剂调控材料表面给电子基团/吸电子基团策略，研究人员成功地合成了从蓝色到红色甚至白色的明亮且高稳定的全色荧光碳量子点，并阐明了量子尺寸效应。合成策略在融合过程中依赖于引入的酸试剂的吸电子基团，该基团在碳量子点表面上不断的增长，使得其发光波长红移并增加其粒径，最终实现了碳量子点在高荧光量子产率、光学可调性、出色的稳定性等方面的完美结合，从而构建出优异特性的WLED器件，包括暖色、标准色和冷色WLED。图2 全色荧光碳量子点在荧光复合膜和WLED领域中的应用。虽然蓝光LED获得诺贝尔奖，但是如何将其和各种荧光材料组合，以实现更优异的白光LED，依然存在许多挑战和机遇。利用酸试剂调控材料表面给电子基团/吸电子基团合成策略，为开发具有可调光学特性的高质量碳量子点的实用合成技术提供了有价值的参考。除此之外，利用该策略制备的碳量子点在环境中重金属离子和污染物检测、光催化和电催化处理环境中难降解有机废水、生物成像、能量转换与存储器件、柔性光电器件等领域具有广阔的应用前景。Liang Wang*, Minghong Wu*, Full-color fluorescent carbon quantum dots, Science Advances, 2020, 6, eabb6772.https://advances.sciencemag.org/content/6/40/eabb6772
