華南農業大學劉應亮教授團隊在碳點基室溫磷光材料研究獲進展

近日，華南農業大學材料與能源學院生物基材料與能源教育部重點實驗室、廣東省光學農業工程技術研究中心劉應亮教授團隊在碳點基室溫磷光材料研究中取得重要進展，相關研究成果以「Carbon Dots in Hydroxy Fluorides: Achieving Multicolor Long-Wavelength Room-Temperature Phosphorescence and Excellent Stability via Crystal Confinement」為題發表在納米領域國際權威期刊《Nano Letters》上。材料與能源學院2020級碩士研究生梁萍和研究助理鄭義浩（2019屆材料科學與工程專業本科畢業生）為論文共同第一作者，庄健樂副研究員、劉應亮教授和香港理工大學黃維揚教授為共同通訊作者。

碳點（CDs）作為一種新興的碳基發光材料，在發光領域引起了廣泛的研究興趣。近年來，CDs的室溫磷光（RTP）性能備受關注。一些現有的策略已被用於製備具有優異性能的CDs基RTP材料，包括引入重原子或雜原子以及將CDs嵌入基質中，其中基質輔助方法得到了廣泛的應用。當CDs被引入到剛性基質中時，CDs的三重態激子可通過一些限制效應（例如氫鍵、共價鍵、空間限制等）受到保護和激活以產生有效的RTP發射。然而，要獲得具有優異穩定性的多色CDs基RTP材料仍然是一個挑戰。根據以往的報道，當不同的CDs被分散在硼酸和尿素等一些常見的基質中，可以較為容易地實現多色RTP。但是，這些基質容易受到水、酸或鹼等外界因素的破壞，進而導致碳點的磷光猝滅。當CDs被嵌入無機剛性基質（如沸石、二氧化硅）中，所得複合材料具有高效的RTP和良好的穩定性，然而，其磷光顏色以綠色為主，多色長波長RTP難以實現。儘管有報道在CDs@zeolite和CDs@silica體系中實現了紅色RTP，但它們主要是利用了從CDs到金屬離子或熒光染料的能量傳遞來實現紅色發射。此外，單組分CDs的光刺激多色RTP已經被實現，但這是由於CDs中多個發射中心所產生的激發依賴性質導致的，它需要不同激發波長的光源來實現不同波長的發射。因此，開發一種既能在同一激發下實現CDs的多色長波長RTP又能保證材料穩定性的通用基質具有重要意義。

基於此，作者開發了一種新穎且通用的「CDs-in-YOHF」策略，通過將CDs引入到Y(OH)xF3-x（YOHF）基質中來合成具有明亮的綠色、黃色和橙色餘輝的碳點基室溫磷光材料。這種類型的無機材料首次被發現可作為激活CDs室溫磷光的基質。研究表明，YOHF基質對CDs的空間約束以及CDs和YOHF之間的氫鍵和C-F鍵共同產生了多重限制效應，極大地抑制了CDs的分子內振動和旋轉，從而有效地穩定了CDs的三重態激子，促進了磷光發射。這種效應被證實對大多數CDs穩定三重態有效進而產生RTP發射，即YOHF基質具有很好的普適性。

此外，由於YOHF剛性基質強大的保護作用，所得CDs@YOHF表現出優異的光穩定性、熱穩定性、化學穩定性和時間穩定性，這有利於CDs@YOHF在不同環境中的長期使用。鑒於其出色的性能，團隊初步探索了CDs@YOHF在信息加密、防偽和指紋識別方面的應用。總之，這些工作為構建多色且穩定性好的碳點基RTP材料提供了一種有效的設計策略，也促進了它們在信息安全和保護中的應用，特別是在複雜環境中的應用。

該研究工作得到了國家自然科學基金、廣東省基礎與應用基礎研究基金、廣州市科技計劃項目等的資助。

來源：華南農業大學

論文鏈接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.2c00603