基于碳点的多波长光源

KAIST的研究人员合成了一系列纳米颗粒，称为碳点，能够从单个粒子发射多个波长的光。此外，研究小组还发现，碳点的分散程度，或者每个碳点之间的粒子间距，都会影响碳点发射光的性质。这一发现将使研究人员了解如何控制这些碳点，并创造出新的、对环境负责的显示器、照明和传感技术。

在过去的十五年里，研究能够发光的纳米粒子，比如量子点，一直是一个活跃的研究领域。这些粒子或磷光体是由各种材料制成的纳米颗粒，它们能够利用材料的量子力学特性以特定波长发射光。这为开发照明和显示解决方案以及更精确的仪器检测和传感提供了新的途径。

随着技术变得越来越小和越来越复杂，荧光纳米颗粒的使用在许多应用中已经看到了很显著的增长，这是由于从点发射的颜色的纯度以及它们的可调性，以满足所需的光学性质。

如图所示为双色发射碳点（CDs）的光致发光随浓度的变化。蓝色和红色的发射在不同的粒子间距下表现出不同的情况。

碳点是一种荧光纳米颗粒，作为替代非碳点的候选材料越来越受到研究人员的关注，碳点的构建需要对环境有毒的重金属。由于它们主要由碳组成，低毒性与其固有光学特性的可调性相结合，是一种极具吸引力的品质。

碳点的另一个显著特征是它们能够从单个纳米颗粒发射多个波长的光。这种多波长发射可以在单个激发源下激发，通过同时发射多个波长，使单个粒子能够简单而稳健地产生白光。

碳点也表现出浓度依赖的光致发光。换句话说，单个碳点之间的距离影响碳点随后在激发源下发出的光。这些综合特性使碳点成为一个独特的来源，将导致极为精确的检测和传感。

然而，这种浓度依赖性还没有被完全理解。为了充分利用碳点的功能，必须首先揭示控制表面上可变光学性质的机制。以前的理论认为碳点的浓度依赖性是由于氢键效应。

现在，由化学与生物分子工程系的Do Hyun Kim 教授领导的KAIST研究小组提出并证明了双色发射是由每个碳点之间的粒子间距离引起的。这项研究发表在近期的《物理化学化学物理Physical Chemistry Chemical Physics》杂志上。

论文的第一作者，博士生Hyo Jeong Yoo，以及Kim教授和研究员Byeong Eun Kwak一起，研究了在改变碳点的粒子间距离或浓度时，红色和蓝色的相对光强度是如何变化的。他们发现，随着浓度的调整，碳点发出的光会发生变化。通过改变浓度，研究小组能够控制颜色的相对强度，同时也能从单一光源发出白光（见图）。

“在以前的研究中，碳点的光致发光浓度依赖于不同粒子间距离发射源的变化。通过对碳点的双色发射现象的分析，我们相信这一结果可以为研究碳点的光致发光机理提供一个新的视角。

新分析出的控制碳点光致发光的能力将被大量用于固态照明应用和传感的技术发展中。

原文链接：https://phys.org/news/2020-12-multiple-wavelengths-source.html