背景介紹

       機(jī)械響應(yīng)發(fā)光材料在外界刺激（如機(jī)械研磨、剪切或靜水壓力等）作用下，其發(fā)光強(qiáng)度或發(fā)光顏色發(fā)生變化，在安全檢測(cè)、信息存儲(chǔ)、光電器件和機(jī)械傳感等領(lǐng)域具有重要的潛在應(yīng)用。目前人們?cè)谟袡C(jī)物、金屬配合物和鈣鈦礦量子點(diǎn)等材料中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了許多具有壓致熒光響應(yīng)的材料。然而，大多數(shù)這類材料在壓力的作用下會(huì)出現(xiàn)熒光猝滅現(xiàn)象。很少材料在壓力釋放時(shí)還能保持其高壓下優(yōu)化的發(fā)光性能。熒光碳納米點(diǎn)作為碳材料家族新興成員，近年來因其熒光效率高、毒性低、合成方便以及生物相容性好等優(yōu)點(diǎn)，在生物醫(yī)學(xué)、能量轉(zhuǎn)換及光電子器件等領(lǐng)域受到人們的廣泛關(guān)注。由于其豐富的表面官能團(tuán)、可調(diào)的晶格尺寸和分子間相互作用，人們已在常壓下對(duì)其光致發(fā)光性能進(jìn)行了調(diào)控，這為設(shè)計(jì)具有優(yōu)異發(fā)光性能的壓致變色材料提供了重要基礎(chǔ)。然而，目前報(bào)道的碳納米點(diǎn)材料在壓力的作用下也存在嚴(yán)重的熒光猝滅現(xiàn)象；僅有個(gè)例報(bào)道了其壓致熒光增強(qiáng)的現(xiàn)象，但遺憾的是卸壓后無法保留到常壓條件下。因此，發(fā)展一種有效的策略實(shí)現(xiàn)碳納米點(diǎn)材料壓致熒光增強(qiáng)并保留至常壓仍是具有挑戰(zhàn)的課題。

       成果簡(jiǎn)介

       鄭州大學(xué)金剛石光電材料與器件課題組楊西貴、婁慶等人提出采用空間限域的策略，使用氫氧化鈉作為基質(zhì)材料，制備了氫氧化鈉限域的碳納米點(diǎn)（CDs@NaOH）樣品。由于氫氧化鈉的限域和保護(hù)，克服了碳納米點(diǎn)在固態(tài)下的團(tuán)聚問題，并成功實(shí)現(xiàn)了低壓下（約1.4 GPa）碳納米點(diǎn)1.6倍的熒光增強(qiáng)。在更高的壓力下，碳納米點(diǎn)的結(jié)構(gòu)遭到破壞，非輻射躍遷導(dǎo)致熒光逐漸減弱。有趣的是，壓力卸除后，這種高壓下增強(qiáng)的發(fā)光性能夠保留到常壓。實(shí)驗(yàn)和理論計(jì)算表明，與純碳納米點(diǎn)不同，空間限域作用下碳納米點(diǎn)表面官能團(tuán)的振動(dòng)受限，減少了非輻射躍遷，從而表現(xiàn)出壓致熒光增強(qiáng)現(xiàn)象。該研究結(jié)果為設(shè)計(jì)固態(tài)高效發(fā)光碳納米點(diǎn)提供了新的途徑。

       圖文導(dǎo)讀

圖1 CDs@NaOH合成過程示意圖。

圖2 （a）CDs@NaOH的高分辨率透射電鏡圖；（b）CDs的尺寸分布集中在2.8 nm；（c）限域前后CDs的XRD圖譜；（d）CDs的XPS全譜中有Na的存在；（e）C 1s 峰的高分辨XPS譜，（f）FI-IR光譜。這些表征證明了碳點(diǎn)限域在氫氧化鈉中。

圖3 （a-c）CDs@NaOH的激發(fā)-發(fā)射譜，吸收、激發(fā)和發(fā)射光譜和發(fā)射衰減曲線。（d-f）純CDs的激發(fā)-發(fā)射譜，吸收、激發(fā)和發(fā)射光譜和發(fā)射衰減曲線。表明限域前后碳點(diǎn)壽命增長(zhǎng)，無輻射躍遷減少，固態(tài)發(fā)光增強(qiáng)。

圖4 （a）和（d）為CDs@NaOH以及純CDs在0.1ps到5ns的指定延遲時(shí)間下的瞬態(tài)吸收偽彩色圖。以及（b,c和d,f）CDs@NaOH和純CDs的動(dòng)力學(xué)跡線。

圖5 （a）CDs@NaOH的原位高壓熒光光譜。（b）發(fā)射峰強(qiáng)度隨壓力增加的變化關(guān)系。（c）CDs@NaOH的原位卸壓熒光光譜。（d）發(fā)射峰強(qiáng)度隨壓力減小的變化關(guān)系。（e）CDs@NaOH卸壓前后熒光光譜對(duì)比。表明加壓之后熒光增強(qiáng)，卸壓之后增強(qiáng)效果仍能夠保持。

       作者簡(jiǎn)介

       婁慶，副教授、碩士生導(dǎo)師。博士畢業(yè)于中科院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，導(dǎo)師趙家龍和曲松楠研究員，2015年入職鄭州大學(xué)物理學(xué)院金剛石光電材料與器件課題組。主要從事碳基光電材料與器件研究。近年來在Matter，Adv. Mater.，Adv. Sci，Nano Today，Nano Res.等期刊以第一作者或通訊作者發(fā)表論文20余篇，先后主持國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目、河南聯(lián)合基金培育、青年基金等項(xiàng)目。

       楊西貴，副教授、碩士生導(dǎo)師。2017年7月畢業(yè)于吉林大學(xué)超硬材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，導(dǎo)師劉冰冰教授和姚明光教授，同年入職鄭州大學(xué)物理學(xué)院金剛石光電材料與器件課題組。主要從事高壓物理、金剛石單晶生長(zhǎng)及其光電器件研究。近年來在Phys. Rev. Lett.，Nano Res.，J. Phys. Chem. Lett.，Carbon，Chin. Phys. Lett.等期刊以第一作者或通訊作者發(fā)表論文10余篇，先后主持國(guó)家自然科學(xué)基金青年項(xiàng)目、中國(guó)博士后基金特別資助和河南省自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目等。

       單崇新，鄭州大學(xué)物理學(xué)院院長(zhǎng)、教授、博士生導(dǎo)師。教育部“長(zhǎng)江學(xué)者獎(jiǎng)勵(lì)計(jì)劃”特聘教授、國(guó)家杰出青年基金獲得者、中國(guó)青年科技獎(jiǎng)獲得者。主要從事寬禁帶半導(dǎo)體光電材料與器件研究工作，已發(fā)表學(xué)術(shù)論文300余篇，主持國(guó)家重大科研儀器研制項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目等。

       更多詳情見課題組主頁(yè)：http://www7.zzu.edu.cn/diamond/。歡迎各地學(xué)生報(bào)考攻讀碩/博士學(xué)位。

       文章信息

       Qing Lou, Xigui Yang*, Kaikai Liu, Zhongzheng Ding, Jinxu Qin, Yizhe Li, Chaofan Lv, Yuan Shang*, Yuewen Zhang, Zhuangfei Zhang, Jinhao Zang, Lin Dong & Chong-Xin Shan*. Pressure-induced photoluminescence enhancement and ambient retention in confined carbon dots.Nano Research https://doi.org/10.1007/s12274-021-3736-x