科研進展

上海微系統所在石墨烯量子點室溫磷光機制研究領域取得進展

  

自從2015年發現以碳點、石墨烯量子點為代表的碳基量子點材料在室溫下的固態磷光特性以來,其磷光機制研究成為碳基量子點“構–效”關系研究的重點與難點。碳基量子點磷光機制研究面臨的困難主要來自于該類材料高度復雜的sp2sp3雜化碳納米結構帶來的電子結構與界面輸運特性的不確定性。針對上述研究難點,中國科學院上海微系統與信息技術研究所石墨烯粉體課題組丁古巧研究員、楊思維副研究員在系統總結前期研究結果的基礎上(Small, 2020, 16, 2004621; Small,?2023, 19, 2205957)提出了關聯“自下而上”法制備石墨烯量子點過程中前驅體拓撲結構與石墨烯量子點光致發光特性的新設想?;诖?,通過實驗與理論研究手段揭示了石墨烯量子點磷光壽命與其結構特征之間的關聯,同時進一步給出了“自下而上”法中前驅體對稱性、產物結構特性、石墨烯量子點磷光壽命三者之間的物理關聯。

該工作通過雙組份“自下而上”反應過程中前驅體對稱性匹配度的選擇,實現了石墨烯量子點中sp2區域分離度的調制。結合熱動力學計算,證實了前驅體對稱性匹配度控制下的石墨烯量子點sp2區域分離度增加會導致石墨烯量子點之間激發態能量輸運阻滯(圖1)。在此基礎上,借助機器學習中圖形分析算法,對構建的理想分子模型中結構孔隙率(V)及結構可變性(Ω)實現評估。通過數據分析發現石墨烯量子點結構非規則度(S = 2ln(Ω) + V)與磷光壽命間具有線性關系。

圖1. 雙組份“自下而上”反應體系中前驅體對稱性匹配度控制下的石墨烯量子點sp2區域分離度增加導致的石墨烯量子點之間激發態能量輸運阻滯。

與其他基于機器學習的碳基量子點“構–效”關系研究不同,該工作提出的石墨烯量子點結構非規則度與磷光壽命之間的數學關系具備實際物理內涵。本工作進一步證明了石墨烯量子點結構非規則度與磷光過程中振子強度的直接關聯。在此原則指導下,進一步實現了石墨烯量子點在無固態介質存在下磷光壽命的重要突破(28.5 s)。同時也獲得了紅色與藍色磷光發射的摻雜石墨烯量子點。

圖2. 前驅體對稱性匹配與石墨烯量子點結構孔隙率(V)、結構可變性(Ω)、結構非規則度(S)以及磷光壽命間的關系。

該工作加深了“自下而上”法中制備條件與產物結構間關聯的理解。不僅提供了一種行之有效的基于圖形分析的碳納米結構分析策略,同時闡釋了碳基量子點結構特性參數的物理內涵。相關論文“Symmetry-Triggered Tunable Phosphorescence Lifetime of Graphene Quantum Dots in a Solid State”近日在線發表于Advanced Materials(論文鏈接:https://doi.org/10.1002/adma.202313639)。

我所博士后李永強、博士生陳良鋒為論文第一作者,楊思維副研究員、丁古巧研究員為通訊作者,中科院上海微系統所為第一完成單位和通訊單位。該工作得到國家自然科學基金(62174093)、上海市科學技術委員會(21ZR1482800,23YF1455800)、上海市“超級博士后”項目(2022675)、中國科學院青年創新促進會等項目支持。

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