上海微系统所在石墨烯量子点室温磷光机制研究领域取得进展

自从2015年发现以碳点、石墨烯量子点为代表的碳基量子点材料在室温下的固态磷光特性以来，其磷光机制研究成为碳基量子点“构–效”关系研究的重点与难点。碳基量子点磷光机制研究面临的困难主要来自于该类材料高度复杂的sp²–sp³杂化碳纳米结构带来的电子结构与界面输运特性的不确定性。针对上述研究难点，中国科学院上海微系统与信息技术研究所石墨烯粉体课题组丁古巧研究员、杨思维副研究员在系统总结前期研究结果的基础上（Small, 2020, 16, 2004621; Small, 2023, 19, 2205957）提出了关联“自下而上”法制备石墨烯量子点过程中前驱体拓扑结构与石墨烯量子点光致发光特性的新设想。基于此，通过实验与理论研究手段揭示了石墨烯量子点磷光寿命与其结构特征之间的关联，同时进一步给出了“自下而上”法中前驱体对称性、产物结构特性、石墨烯量子点磷光寿命三者之间的物理关联。

该工作通过双组份“自下而上”反应过程中前驱体对称性匹配度的选择，实现了石墨烯量子点中sp²区域分离度的调制。结合热动力学计算，证实了前驱体对称性匹配度控制下的石墨烯量子点sp²区域分离度增加会导致石墨烯量子点之间激发态能量输运阻滞（图1）。在此基础上，借助机器学习中图形分析算法，对构建的理想分子模型中结构孔隙率（V）及结构可变性（Ω）实现评估。通过数据分析发现石墨烯量子点结构非规则度（S = 2ln(Ω) + V）与磷光寿命间具有线性关系。

图1. 双组份“自下而上”反应体系中前驱体对称性匹配度控制下的石墨烯量子点sp²区域分离度增加导致的石墨烯量子点之间激发态能量输运阻滞。

与其他基于机器学习的碳基量子点“构–效”关系研究不同，该工作提出的石墨烯量子点结构非规则度与磷光寿命之间的数学关系具备实际物理内涵。本工作进一步证明了石墨烯量子点结构非规则度与磷光过程中振子强度的直接关联。在此原则指导下，进一步实现了石墨烯量子点在无固态介质存在下磷光寿命的重要突破（28.5 s）。同时也获得了红色与蓝色磷光发射的掺杂石墨烯量子点。

图2. 前驱体对称性匹配与石墨烯量子点结构孔隙率（V）、结构可变性（Ω）、结构非规则度（S）以及磷光寿命间的关系。

该工作加深了“自下而上”法中制备条件与产物结构间关联的理解。不仅提供了一种行之有效的基于图形分析的碳纳米结构分析策略，同时阐释了碳基量子点结构特性参数的物理内涵。相关论文“Symmetry-Triggered Tunable Phosphorescence Lifetime of Graphene Quantum Dots in a Solid State”近日在线发表于Advanced Materials（论文链接：https://doi.org/10.1002/adma.202313639）。

我所博士后李永强、博士生陈良锋为论文第一作者，杨思维副研究员、丁古巧研究员为通讯作者，中科院上海微系统所为第一完成单位和通讯单位。该工作得到国家自然科学基金（62174093）、上海市科学技术委员会（21ZR1482800，23YF1455800）、上海市“超级博士后”项目（2022675）、中国科学院青年创新促进会等项目支持。