近日，我校材料與能源學(xué)院生物基材料與能源教育部重點實驗室、廣東省光學(xué)農(nóng)業(yè)工程技術(shù)研究中心劉應(yīng)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(guān)研究成果以“Carbon Dots in Hydroxy Fluorides: Achieving Multicolor Long-Wavelength Room-Temperature Phosphorescence and Excellent Stability via Crystal Confinement”（論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.2c00603）為題發(fā)表在納米領(lǐng)域國際權(quán)威期刊《Nano Letters》上。材料與能源學(xué)院2020級碩士研究生梁萍和研究助理鄭義浩（2019屆材料科學(xué)與工程專業(yè)本科畢業(yè)生）為論文共同第一作者，莊健樂副研究員、劉應(yīng)亮教授和香港理工大學(xué)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(fā)光材料，在發(fā)光領(lǐng)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(guān)注。一些現(xiàn)有的策略已被用于制備具有優(yōu)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(zhì)中，其中基質(zhì)輔助方法得到了廣泛的應(yīng)用。當(dāng)CDs被引入到剛性基質(zhì)中時，CDs的三重態(tài)激子可通過一些限制效應(yīng)（例如氫鍵、共價鍵、空間限制等）受到保護和激活以產(chǎn)生有效的RTP發(fā)射。然而，要獲得具有優(yōu)異穩(wěn)定性的多色CDs基RTP材料仍然是一個挑戰(zhàn)。根據(jù)以往的報道，當(dāng)不同的CDs被分散在硼酸和尿素等一些常見的基質(zhì)中，可以較為容易地實現(xiàn)多色RTP。但是，這些基質(zhì)容易受到水、酸或堿等外界因素的破壞，進而導(dǎo)致碳點的磷光猝滅。當(dāng)CDs被嵌入無機剛性基質(zhì)（如沸石、二氧化硅）中，所得復(fù)合材料具有高效的RTP和良好的穩(wěn)定性，然而，其磷光顏色以綠色為主，多色長波長RTP難以實現(xiàn)。盡管有報道在CDs@zeolite和CDs@silica體系中實現(xiàn)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(xiàn)紅色發(fā)射。此外，單組分CDs的光刺激多色RTP已經(jīng)被實現(xiàn)，但這是由于CDs中多個發(fā)射中心所產(chǎn)生的激發(fā)依賴性質(zhì)導(dǎo)致的，它需要不同激發(fā)波長的光源來實現(xiàn)不同波長的發(fā)射。因此，開發(fā)一種既能在同一激發(fā)下實現(xiàn)CDs的多色長波長RTP又能保證材料穩(wěn)定性的通用基質(zhì)具有重要意義。
基于此，作者開發(fā)了一種新穎且通用的“CDs-in-YOHF”策略，通過將CDs引入到Y(jié)(OH)xF3-x（YOHF）基質(zhì)中來合成具有明亮的綠色、黃色和橙色余輝的碳點基室溫磷光材料。這種類型的無機材料首次被發(fā)現(xiàn)可作為激活CDs室溫磷光的基質(zhì)。研究表明，YOHF基質(zhì)對CDs的空間約束以及CDs和YOHF之間的氫鍵和C-F鍵共同產(chǎn)生了多重限制效應(yīng)，極大地抑制了CDs的分子內(nèi)振動和旋轉(zhuǎn)，從而有效地穩(wěn)定了CDs的三重態(tài)激子，促進了磷光發(fā)射。這種效應(yīng)被證實對大多數(shù)CDs穩(wěn)定三重態(tài)有效進而產(chǎn)生RTP發(fā)射，即YOHF基質(zhì)具有很好的普適性。
此外，由于YOHF剛性基質(zhì)強大的保護作用，所得CDs@YOHF表現(xiàn)出優(yōu)異的光穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性和時間穩(wěn)定性，這有利于CDs@YOHF在不同環(huán)境中的長期使用。鑒于其出色的性能，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(yīng)用。總之，這些工作為構(gòu)建多色且穩(wěn)定性好的碳點基RTP材料提供了一種有效的設(shè)計策略，也促進了它們在信息安全和保護中的應(yīng)用，特別是在復(fù)雜環(huán)境中的應(yīng)用。
該研究工作得到了國家自然科學(xué)基金、廣東省基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究基金、廣州市科技計劃項目等的資助。（文圖/材料與能源學(xué)院 梁萍 鄭義浩）
