發(fā)光碳納米粒子的新收獲

曲松楠科研團(tuán)隊(duì)的研究不僅證實(shí)了碳納米粒子在綠光波段的發(fā)光為本征發(fā)光，還在綠光波段實(shí)現(xiàn)碳納米粒子光泵浦激光。這個發(fā)現(xiàn)將直接影響碳納米粒子的應(yīng)用領(lǐng)域及應(yīng)用前景。

碳材料在小于10納米時具有發(fā)光特性。之前，國際上認(rèn)為碳納米粒子在綠光波段的發(fā)射是源自碳納米粒子表面的缺陷，而這種缺陷發(fā)光來源被認(rèn)為很難實(shí)現(xiàn)激光。

近日，中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所（以下簡稱長春光機(jī)所）副研究員曲松楠所在的科研團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了碳納米粒子所發(fā)藍(lán)光和綠光的調(diào)控，首次實(shí)現(xiàn)了碳納米粒子在綠光波段的光泵浦激光。

新興的發(fā)光材料

早在2006年，美國克萊蒙森大學(xué)的科學(xué)家們就制造出一種碳納米粒子，在光照的情況下，可以發(fā)出明亮的光。

當(dāng)年，克萊蒙森大學(xué)化學(xué)博士孫亞平曾指出，碳不是半導(dǎo)體，發(fā)光碳納米粒子不管是從理論角度還是從應(yīng)用角度看都很有意思，它是一類新興的發(fā)光材料，代表一個新的研究平臺。

更早前，發(fā)光無機(jī)半導(dǎo)體納米粒子的研究非常活躍，尤其是其在生物和醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用。無機(jī)半導(dǎo)體納米粒子一般含重金屬內(nèi)核（鉛、鎘），有一定毒性，對環(huán)境也存在危害，所以科學(xué)家們開始以一些無毒的化合物制備新的發(fā)光納米粒子。

發(fā)光碳納米粒子具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，如化學(xué)穩(wěn)定性、無光閃爍、耐光漂、無毒、造價比較便宜以及優(yōu)異的生物相容性。

2012年，長春光機(jī)所基于碳納米粒子，研制出一種具有生物相容性的熒光墨水。曲松楠正是當(dāng)年這個技術(shù)的主要研發(fā)者。

他們以檸檬酸、尿素為原料，通過微波法制備出高熒光量子效率的碳納米粒子。

綠光波段本征發(fā)光

其實(shí)，近年來對于碳納米點(diǎn)發(fā)光機(jī)理存在很大爭議，主要圍繞著是本征發(fā)光還是表面缺陷發(fā)光。表面缺陷發(fā)光，意味著發(fā)光特性很難掌控，發(fā)光過程為能量耗散過程，不利于高性能光電器件及激光器件的制備。

此前，碳納米粒子被證實(shí)可在藍(lán)光波段實(shí)現(xiàn)本征發(fā)光，并已實(shí)現(xiàn)藍(lán)光波段激光，但截至目前，還沒有碳納米粒子在綠光波段實(shí)現(xiàn)本征發(fā)光和激光的報道。

“本征發(fā)光是碳納米粒子形成激光的前提，碳納米粒子發(fā)光帶系可調(diào)控意味著碳納米粒子還可以在其他波段實(shí)現(xiàn)激光。”曲松楠告訴記者。

在此之前，因?yàn)椴磺宄技{米粒子的發(fā)光機(jī)理，長期以來科學(xué)家們一直認(rèn)為這種納米粒子相比宏觀碳，具有非常奇特的化學(xué)和物理性質(zhì)，并且認(rèn)為其發(fā)光是缺陷發(fā)光，尤其在綠光波段比較難于實(shí)現(xiàn)激光。

而曲松楠科研團(tuán)隊(duì)的研究不僅證實(shí)了碳納米粒子在綠光波段的發(fā)光為本征發(fā)光，還在綠光波段實(shí)現(xiàn)碳納米粒子光泵浦激光。這個發(fā)現(xiàn)將直接影響碳納米粒子的應(yīng)用領(lǐng)域及應(yīng)用前景。

未來的潛在應(yīng)用

     科學(xué)家們相信，碳納米粒子在改進(jìn)生物傳感器、醫(yī)學(xué)成像設(shè)備和微小的發(fā)光二極管等領(lǐng)域中都有應(yīng)用前景。

     2012年，曲松楠所在的團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，利用碳納米粒子激發(fā)波長依賴的特性，與有機(jī)染料配合，在生物制品上可構(gòu)筑具有信息加密的圖形，這可以應(yīng)用于信息存儲和信息加密中。這些獨(dú)特的性質(zhì)使碳納米點(diǎn)走進(jìn)我們的現(xiàn)實(shí)生活成為可能。

    他們甚至研制出一種新型的熒光墨水。這種墨水可以應(yīng)用到生物成像、生物產(chǎn)品鑒定、信息存儲、信息加密、防偽、照明顯示、傳感、光伏器件等多種領(lǐng)域。

    2013年，他們第一次基于具有雙熒光發(fā)射的碳納米粒子構(gòu)筑了比率型熒光探針，在水溶液體系可精確識別溫度、pH值、Fe3+濃度，這促進(jìn)了碳納米粒子在生物成像、醫(yī)療檢測、環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域中的應(yīng)用。

    最近，他們又在綠光波段實(shí)現(xiàn)了碳納米粒子光泵浦激光。這預(yù)示著碳納米粒子可以作為一類成本低、綠色環(huán)保、光穩(wěn)定性好的新型激光材料，在未來光電器件上具有廣泛的應(yīng)用潛質(zhì)。

    在此之前，曲松楠一直從事有機(jī)功能材料的研究。隨著碳納米粒子作為發(fā)光材料的興起，他從2012年開始介入該研究領(lǐng)域。

    “我們下一步的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)碳納米粒子電致激光。”曲松楠說，“關(guān)鍵在于研制出一種適合碳納米粒子的高效的電致發(fā)光器件，這樣有利于未來在光電領(lǐng)域的應(yīng)用。”

    曲松楠所在的發(fā)光學(xué)及應(yīng)用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室里，有幾位年輕人也一起加入了這項(xiàng)研究。“國內(nèi)外水平相當(dāng)，幾乎在同一起跑線上。前期我們的研究一直比較順利，但接下來科研工作將面臨新的挑戰(zhàn)。”對于未來，他們充滿期待。