功能化石墨烯量子点及其衍生物的异常宽带隙发光性质研究

高度结晶的石墨烯通常是不发光的零带隙半导体，而功能化的石墨烯量子点及其衍生物碳量子点却表现出异常的宽带隙特征与蓝绿发光特性。揭示、理解并应用这种新的物理是本项目的研究目的。选择单畴、单层、单分散的功能化石墨烯量子点的可控制备与选择性分离为突破口，设计了新颖而可行的化学切割法制备路线，通过单分散胶态溶液的特征光谱与单量子点的低温扫描隧道谱的互补研究，获得关于亚十纳米尺度下荧光石墨烯量子点多方面、多角度的量子尺寸效应的物理规律。同时，以优化高效率蓝色荧光碳量子点的EDTA热解法制备为突破口，探索碳量子点在新型蓝光器件中的应用。本项目的开展将为高质量单层石墨烯量子点的可控制备与选择性分离提供新的策略，为探测其能隙与尺寸、层数、边缘形态之间的演变关系提供新的思路，为宽带隙激子发光机理的阐明提供实验依据，为石墨烯量子点和碳量子点在纳电子器件、光电子器件、生物荧光探针等方面的应用奠定坚实基础。

石墨烯量子点是近几年发展的新型量子点体系，具有石墨烯的高效电子转移特性、高稳定性、高比表面积、易功能化、环境友好等优点，又结合了传统半导体量子点的电子结构和光物理的可调性和增强的光活性，不仅在生物成像、传感中被广泛应用，而且在光电转换器件件中扮演着重要角色。本项目针对宽带隙和窄带隙石墨烯量子点两类体系，在可控合成、光学性质的调控、发光机理、多种技术应用上开展了系统的研究，取得了丰富的研究结果，部分成果在自然子刊等国际著名期刊上发表，在国际同行中引起了广泛关注，并于2015年获得了上海市自然科学奖一等奖的创新成果（荧光石墨烯量子点的可控制备及生物医学应用研究）。主要成果如下：1）针对化学切割法制备的宽带隙石墨烯量子点，开展了单粒子发光性质研究，发现了石墨烯量子点不具有传统量子点的间歇发光行为；多层结构比单层结构荧光更明亮；室温下老化发生显著的荧光红移，并提出了化学切割的多缺陷石墨烯量子点可能存在缺陷发光和sp2团簇发光并存的发光机制。这些成果于2013年发表在ACS Nano上。2）针对功能化的单晶石墨烯量子点体系，首创了一种简单、绿色的水相分子融合法，能在分子水平和工业规模上控制单晶石墨烯量子点的溶液生长，合成的单晶石墨烯量子点尺寸和功能化可调，表现出尺寸依赖的具有激子特征的优异光学性质，并展示了在细胞荧光成像方面的应用前景，成果于2014年发表在自然子刊Nature Communications 上。3）针对光电器件应用，发展了有机相的一步分子融合法，合成了高质量窄带隙石墨烯量子点体系，能溶解或稳定分散在多种有机溶剂中，且光学性质可调，可发出明亮的黄色、橙色、红色荧光，发光效率可达60%以上，并初步展示了窄带隙石墨烯量子点在半导体白光照明中的应用潜力，如将黄色荧光石墨烯量子点涂覆到蓝光LED芯片上，可获得明亮的白光，显色指数（85）优于主流的稀土基荧光粉白光LED，且色坐标与理想白光的色坐标（0.33，0.33）一致。4）针对石墨烯量子点对二氧化钛的光敏化效应，提出了单分散面异质结概念，很好解释了观察到的光催化现象。该成果的催化机理示意图被ACS Sustainable Chemistry & Engineering期刊选为十月份期刊正面封面。这些成果对于发展有自主知识产权、综合性能优异的有机光电转换材料新体系有重要意义。