通过调控石墨化程度和官能团合成多色荧光碳点

碳纳米点作为碳材料家族的一员,由于其出色的光学、光电转换性能,在生物成像、光催化、发光照明等领域有越来越广的应用。早期的研究中,碳点的发光主要集中在蓝光和绿光区域,并且荧光量子效率不高,因而限制了其应用。十多年来,研究人员通过表面钝化和杂原子掺杂等方法来改进碳点的发光性能。尽管碳点的蓝光和绿光有了很大的发展,但红光仍然有很多限制。总的来说,碳点在应用放面仍然有很多不足,合成原料昂贵,合成方法复杂,荧光量子效率低,较难应用于器件等,并且缺乏对发光机理的阐明。因此,有必要开发一种简单廉价的合成方法。LED是一种节能环保、高能效、长寿命的光源。碳点具有发射光谱宽、光稳定性好、成本低和低毒等优点,是一种可替代传统稀土和半导体量子点荧光粉的材料。目前LED应用的碳点普遍具有荧光量子效率低,光谱组分RGB比例低,因此会导致LED器件的发光效率和显色指数偏低。

北京工业大学的孙再成教授课题组报道了一种多色荧光碳点的合成方法,并且成功应用于LED发光器件的制造。通过控制柠檬酸和尿素的热解温度和反应物的比例,可以调节碳点的石墨化程度和表面官能团数量,从而合成了从蓝光到红光的一系列碳点,荧光的发射峰丛430 nm 调节到630 nm,覆盖了整个可见光光谱。典型的蓝、绿、红三种碳点的相对荧光量子效率分别达到52.6%、35.1%和12.9%。

这种碳点可溶于各种极性有机溶剂,如乙醇、DMF、DMSO和胺类。并且保持了碳点的发光性质。研究人员进一步将碳点分散于环氧树脂中,用四乙烯五胺作为固化剂,得到了多色荧光的碳点/环氧树脂复合材料,可以作为LED的封装材料。通过调节蓝、绿、红三色碳点的混合量,可以得到白光LED,其CIE坐标为(0.33,0.34),色温为5606K,显色指数为92,并且这种白光LED器件具有优异的稳定性。因此,这种合成原料廉价、合成方法简单的多色碳点能够作为荧光粉的替代材料用于LED的封装。相关文章发表在Advanced Materials(DOI: 10.1002/adma.201704740)上。第一作者是博士研究生苗湘。

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