碳纳米颗粒荧光发射高效可调机制的研究

荧光碳纳米颗粒不仅具有高强度的多色可见光发射，而且具有双光子吸收并可实现上转化荧光发射的特性；此外它还具有环境友好、化学惰性以及良好的生物相容性等优点，因此在生物检测、传感、造影等诸多领域中具有重要的应用价值。然而到目前为止碳纳米颗粒发光机理还不明确，荧光量子产率还比较低，双光子吸收截面还不够大，所以成为限制它实际应用的瓶颈。基于此，本项目一方面采用密度泛函理论研究碳纳米颗粒的各种结构（包括元素掺杂、晶体缺陷等结构）、尺寸、表面态对其电子结构的影响；另一方面实验制备不同种结构、尺寸的碳纳米颗粒，并利用不同有机分子对其进行表面修饰或钝化，得到不同的表面态，然后利用各种分析手段研究它们的荧光特性，从实验上确定出影响荧光发射的主要因素；最后结合理论与实验分析阐明碳纳米颗粒的结构、尺寸和表面态与其荧光发射的关系，明确荧光发射高效、可调的机制，为开发制备工艺奠定理论基础和技术基础。

荧光碳纳米颗粒具有传统半导体量子点诸多优异特性，它本身却不含有毒性元素并且原料来源广泛、低廉而受到越来越多的关注。但是碳纳米颗粒的发光机制尚不明确，限制了荧光碳纳米颗粒的深入研究和应用。本项目制备出了不同结构和尺寸的碳纳米颗粒，找到了结构、尺寸与碳纳米颗粒光致发光的对应关系，提出了sp2和sp3混合杂化引入的缺陷导致了可见光发光中心的形成并且发光中心带隙受尺寸限制的sp2杂化比例调控；用化学方法调控了碳纳米颗粒的表面基团，明确出了表面态诱发的带隙弯曲影响了碳纳米颗粒的发光效率；最终我们开发出了一种具有高荧光量子产率碳纳米颗粒的制备方法。此外我们还发现碳纳米颗粒可以增强其它碳纳米结构的非线性光散射，从而获得优异的光限幅效应。基于碳纳米颗粒sp2和sp3杂化结构的调控制备技术，发展了纳米尺寸下亚稳相热力学形核理论，该理论表现出了很好的适用性和普适性。项目按预期计划执行，完成了项目预期目标。发表论文20篇，其中SCI期刊论文15篇，影响因子大于3的9篇；申请国家发明专利4项，授权1项；获1项山西省高等学校科学技术自然科学一等奖等。