碳納米點（碳點，CDs）通常被認為是粒徑在10 nm以下，由具有類石墨烯堆積結構的碳核和表面官能團兩部分組成的納米粒子。碳點由于其獨特的低毒性、易制備、良好的光穩定性及可調的發光等特性受到了廣泛的關注，在能源、催化、光電器件、生物醫療和信息加密等多個領域都有很好的應用前景。但是，多數碳點在聚集態由于粒子間相互作用會產生能量轉移、表面電子躍遷和碳核間π–π相互作用等非輻射躍遷方式，使得本身在溶液相中具有熒光特性的碳點在聚集態時發生熒光猝滅，這種現象被稱為聚集誘導熒光猝滅效應(ACQ)。聚集誘導熒光猝滅（ACQ）效應的存在使得碳點在固態發光領域的發展受到了限制，因此，制備具有抗ACQ效應的固態發光碳點是碳點研究領域的一個重要方向。

近日，中國澳門大學曲松楠教授團隊在《發光學報》發表了題為“抗聚集誘導熒光猝滅的固態發光碳納米點：制備、光物理性質及應用”的綜述文章。該綜述根據固態發光碳點研究的最新進展，從碳核、表面態調控、超分子及聚合物交聯增強發光方面分類總結了具有抗ACQ效應固態發光碳點的制備方法及光物理性質，探討了其實現固態發光的物理機制。此外，還介紹了此類碳點在固態發光領域的應用進展，并對固態發光碳點的發展現狀和所面臨的問題進行了討論。

1. 引言

相對于目前常用的發光材料，如稀土材料、有機材料、無機半導體材料等，碳點原料來源廣泛，制備方法簡單，成本低，具有良好的生物相容性和環境相容性，有潛力開發為穩定、高效的新型發光材料。然而，由于ACQ效應的存在，使得具有固態發光特性的碳點的研究相對緩慢，限制了碳點體系在固態發光方向的應用。目前常用的將碳點分散至固態基質中抑制ACQ效應的方法會使得碳點發光特性受基質及摻雜濃度影響，故而合成自身具有抗ACQ效應的固態發光碳點引起了研究者的廣泛關注，并得到了快速發展。

2. 抗聚集誘導熒光猝滅碳納米點的制備方法及光物理性質

圖1 碳點的抗ACQ效應 (Fig. 1 Anti-ACQ effect of carbondots)

碳點的結構和發光機理尚不明晰，目前廣泛接受的研究結果表明碳點的發光主要來源于碳核發光和表面態發光；此外，調控碳點納米粒子之間的組裝、相互作用方式同樣可以調控其發光特性。在研究碳點發光特性的同時，如何克服ACQ效應是制備固態發光碳點要解決的另一個主要問題。已有的研究結果表明，碳點ACQ效應的產生主要是由于粒子在一定的距離內產生的能量傳遞或電子非輻射躍遷。為了抑制這兩種物理過程，科研人員提出了多種解決方式，主要包括碳核、表面態調控及交聯增強實現碳點固態發光(圖1)。

在碳核作為熒光發射主導的碳點中，sp2雜化域的存在直接與碳點的熒光特性相關聯，但與此同時，大量sp2雜化域的存在也使得碳點在聚集態粒子間的π-π相互作用更強，電子非輻射躍遷導致碳點聚集態熒光猝滅。將大尺寸的sp2雜化域進行“分割”可以減弱/抑制π-π相互作用，從而阻止非輻射躍遷的產生。此外，也可以通過合成尺寸均一的碳點抑制不同粒徑和發光帶隙碳點之間的能量轉移。通過摻雜雜原子的方法也可以調控碳點的電子結構和能帶從而達到抑制ACQ效應的效果。

由于碳點具有豐富的表面官能團，碳點表面的物理化學特性和聚集態中納米粒子間的表面相互作用也是影響其固態發光的重要因素。通過表面官能團的合理選擇和后處理，獲得表面化學環境均一的碳點可以抑制碳點聚集引起的新的表面態吸收及無輻射躍遷，提高碳點固態發光量子效率。

碳點豐富的表面官能團可以實現多種超分子相互作用，包括氫鍵、靜電相互作用等。在聚集態碳點中，納米粒子之間的超分子相互作用可以影響納米粒子的堆積結構及聚集體的能級和電子分布，進而調控碳點的固態發光性能。除了利用分子間的相互作用，一些碳點在碳核內部也可以形成聚合物交聯結構，分散碳點內部及表面的發光中心，從而避免ACQ效應，實現高效固態發光。

3. 固態發光碳點的應用

碳點在克服了ACQ效應后拓寬了其在固態發光領域的應用范圍，包括照明、光通訊及信息加密等。而相較于通過基質摻雜獲得的固態發光碳點體系，具有自身抗猝滅特性的固態發光碳點性質更加穩定，不僅使得碳點在溶液中的連續可調發光可以在固態應用中實現，而且亮度更高且發光更加均勻，排除了摻雜比例因素的影響，可重復性更強，在固態照明、可見光通訊、信息加密等方向都具有很好的應用前景。

4. 總結與展望

已有的研究通過碳核、表面態調控，超分子、聚合物交聯增強等方法實現了碳點從藍光至紅光區的高效固態發光，證明了固態發光碳點在發光器件、信息加密等領域的應用潛力。目前，抗ACQ效應的固態發光碳點研究仍處于起步階段，為成為理想的固態發光材料，此類碳點在研究中仍有很多問題有待解決：

(1)碳點的結構和內在發光機理仍需要深入探索，了解其結構與發光性質的內在聯系，得出普適性的碳點發光機理以實現碳點的可控合成。

(2)對導致碳點產生ACQ現象的結構特點和物理機制仍需要更深入明確的認識，以此為基礎探索更多抗ACQ效應的方法，豐富固態發光碳點材料體系并調控其發光性質。

(3)與稀土、量子點等固態發光材料相比，碳點的物理化學性質仍需要進一步優化，以期獲得具有實際應用價值的高性能碳點固態發光材料，克服碳點在現有應用（例如高品質光致/電致發光器件）中的不足，并拓展碳點的應用范圍。

論文信息：

曲彥霏, 李迪, 曲松楠. 抗聚集誘導熒光猝滅的固態發光碳納米點：制備、光物理性質及應用[J]. 發光學報, 2021, 42(8):1141-1154.

論文地址：

DOI：10.37188/CJL.20210174

http://cjl.lightpublishing.cn/thesisDetails#10.37188/CJL.20210174

作者簡介：

曲彥霏，碩士研究生，2018年于吉林大學獲得學士學位，主要從事固態發光碳納米點材料及應用方面的研究。

李 迪，博士，副教授， 2012年于吉林大學獲得博士學位，主要從事碳納米點發光特性及應用方面的研究。

曲松楠，博士，教授，博士研究生導師，2009年于吉林大學獲得博士學位，主要從事碳基發光材料及應用方面的研究。

監制 | 郝振東、趙陽

編輯 | 趙唯

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