兰胜教授研究团队在Advanced Materials上发表高水平学术论文

2019-06-12 14:56:07
科学研究

碳纳米材料,如纳米金刚石、富勒烯、碳纳米管、石墨烯以及碳量子点等由于其独特的性质和潜在的应用引起了研究者的广泛兴趣和深入研究。碳量子点最早是在提纯和分离碳纳米管的过程中偶然发现的。尺寸小于10 nm的碳量子点,因其发光波长出现在可见光波段,而且成本低廉、无毒、生物兼容性好,被认为是替代半导体量子点(含有重金属)的最具潜力的生物成像材料。此外,碳量子点在光能转换以及光伏器件中也具有非常广阔的应用前景。

目前传统的制备碳量子点方法,无论是自下而上还是自上而下的,普遍存在的缺点就是制备时间较长且可控性较差,而且通常只能获得胶体碳量子点(即分散在溶剂中量子点)。如何实现碳量子点的快速和可控制备是目前该研究领域面临的重要挑战之一。

近期,我校信息光电子科技学院兰胜教授和化学与环境学院铁绍龙教授组成的跨学科研究团队,在荧光碳量子点的快速可控制备方面取得重要突破,他们巧妙地利用金纳米颗粒多聚体中形成的法诺(Fano)共振,获得了空间高度局域的温度场,结合飞秒激光脉冲的超短作用时间,成功地制备高效发射白光的小尺寸碳量子点。

法诺共振起源于一个离散态和一个连续态的相干相互作用,是一个普遍存在的物理现象。制备碳量子点的主要材料是将金纳米颗粒分散在聚乙烯中制成的薄膜(如图1a,b所示)。在溶剂挥发过程中,金纳米颗粒很容易通对流效应自组装形成多聚体(如图1c,d所示),每个多聚体可以包含几个到十几个不同尺寸的金纳米颗粒。多聚体中金纳米颗粒之间的表面等离子耦合可以在其消光谱中产生法诺共振(如图1d所示)。将入射光的波长对准法诺共振的谷或峰,不仅可以产生很强的电场局域,而且可以产生很高的温度场局域(如图1e,f所示)。这种高度局域的温度场是产生小尺寸碳量子点的必要条件之一。

采用聚焦飞秒激光照射金纳米颗粒/聚乙烯薄膜,可以产生不同尺寸的碳量子点,其发光波长覆盖了整个可见光波段,呈现高效的白光发射。碳量子点的产生被认为是一个两步脱水的过程,金纳米颗粒不但作为热源,而且是聚合物脱水过程非常重要的催化剂。生成的碳量子点在低功率飞秒激光(远低于产生碳量子点的功率)、低功率连续激光以及汞灯照射下均可发射明亮的白光。相较于传统制备方法,这种创新碳点制备策略的优势主要包括:1)可以在聚合物而不是溶剂当中制备碳量子点; 2)碳量子点不需要额外修饰或钝化即可发光;3)碳量子点的产生位置可控,使制备用于传感的碳量子点阵列成为可能;4)碳量子点的制备时间非常短,在飞秒激光照射下立刻产生;5)碳量子点的尺寸和密度可以通过调节激光功率来控制。总之,这种碳量子点快速可控制备可以拓展到其他金属/聚合物体系,其潜在应用包括高密度光信息存储(如图2所示)、纳米显示、纳米白光光源、生化传感/检测等。

上述研究成果近期在线发表在澳门美高梅官网权威期刊Advanced Materials(IF = 21.95)上(https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.201901371),华南师范大学为第一完成单位,广东技术师范大学和暨南大学为合作单位,兰胜教授的博士生郑允宝为第一作者,刘海英副研究员为共同第一作者,兰胜教授和铁绍龙教授为共同通讯作者,该项研究得到了国家重大研发计划项目、国家自然科学基金项目、广东省重大基础研究培育项目、广东省产学研项目以及广东省高水平大学建设项目的支持。

图1. (a) 金纳米颗粒/聚乙烯薄膜在飞秒激光照射下产生碳量子点的示意图;(b) 碳量子点在汞灯照射下发射白光的示意图;(c) 用于制备金纳米颗粒/聚乙烯薄膜的金纳米颗粒的透射电子显微镜照片,插图是金纳米颗粒/聚乙烯薄膜的照片;(d) 金纳米球四聚体的消光谱,插图为四聚体的示意图,其中中央金纳米球的直径为5 nm,周围金纳米球的直径为17 nm,它们的最小间距为1 nm;消光谱中脉冲形状的符号表示不同激发波长的飞秒激光脉冲;(e) 金纳米球四聚体在不同波长激发下的电场分布;(f) 金纳米球四聚体在不同波长激发下的温度场分布。

图2. 采用不同波长飞秒激光脉冲制备的碳量子点的图像,(a-c)是显微镜的明场图像;(d-f)是在465 nm汞灯激发下的图像;(g-i)是在488 nm激光激发下的单光子共聚焦图像;(j-l)是在低功率飞秒激光激发下的双光子荧光图像;(m-o)是双光子图像的相似度和对比度;所有图中标尺的长度是50微米。


作者/通讯员:信息光电子科技学院 | 来源:信息光电子科技学院 | 编辑:杨柳青