背景介紹

       機械響應發光材料在外界刺激（如機械研磨、剪切或靜水壓力等）作用下，其發光強度或發光顏色發生變化，在安全檢測、信息存儲、光電器件和機械傳感等領域具有重要的潛在應用。目前人們在有機物、金屬配合物和鈣鈦礦量子點等材料中已經發現了許多具有壓致熒光響應的材料。然而，大多數這類材料在壓力的作用下會出現熒光猝滅現象。很少材料在壓力釋放時還能保持其高壓下優化的發光性能。熒光碳納米點作為碳材料家族新興成員，近年來因其熒光效率高、毒性低、合成方便以及生物相容性好等優點，在生物醫學、能量轉換及光電子器件等領域受到人們的廣泛關注。由于其豐富的表面官能團、可調的晶格尺寸和分子間相互作用，人們已在常壓下對其光致發光性能進行了調控，這為設計具有優異發光性能的壓致變色材料提供了重要基礎。然而，目前報道的碳納米點材料在壓力的作用下也存在嚴重的熒光猝滅現象；僅有個例報道了其壓致熒光增強的現象，但遺憾的是卸壓后無法保留到常壓條件下。因此，發展一種有效的策略實現碳納米點材料壓致熒光增強并保留至常壓仍是具有挑戰的課題。

       成果簡介

       鄭州大學金剛石光電材料與器件課題組楊西貴、婁慶等人提出采用空間限域的策略，使用氫氧化鈉作為基質材料，制備了氫氧化鈉限域的碳納米點（CDs@NaOH）樣品。由于氫氧化鈉的限域和保護，克服了碳納米點在固態下的團聚問題，并成功實現了低壓下（約1.4 GPa）碳納米點1.6倍的熒光增強。在更高的壓力下，碳納米點的結構遭到破壞，非輻射躍遷導致熒光逐漸減弱。有趣的是，壓力卸除后，這種高壓下增強的發光性能夠保留到常壓。實驗和理論計算表明，與純碳納米點不同，空間限域作用下碳納米點表面官能團的振動受限，減少了非輻射躍遷，從而表現出壓致熒光增強現象。該研究結果為設計固態高效發光碳納米點提供了新的途徑。

       圖文導讀

圖1 CDs@NaOH合成過程示意圖。

圖2 （a）CDs@NaOH的高分辨率透射電鏡圖；（b）CDs的尺寸分布集中在2.8 nm；（c）限域前后CDs的XRD圖譜；（d）CDs的XPS全譜中有Na的存在；（e）C 1s 峰的高分辨XPS譜，（f）FI-IR光譜。這些表征證明了碳點限域在氫氧化鈉中。

圖3 （a-c）CDs@NaOH的激發-發射譜，吸收、激發和發射光譜和發射衰減曲線。（d-f）純CDs的激發-發射譜，吸收、激發和發射光譜和發射衰減曲線。表明限域前后碳點壽命增長，無輻射躍遷減少，固態發光增強。

圖4 （a）和（d）為CDs@NaOH以及純CDs在0.1ps到5ns的指定延遲時間下的瞬態吸收偽彩色圖。以及（b,c和d,f）CDs@NaOH和純CDs的動力學跡線。

圖5 （a）CDs@NaOH的原位高壓熒光光譜。（b）發射峰強度隨壓力增加的變化關系。（c）CDs@NaOH的原位卸壓熒光光譜。（d）發射峰強度隨壓力減小的變化關系。（e）CDs@NaOH卸壓前后熒光光譜對比。表明加壓之后熒光增強，卸壓之后增強效果仍能夠保持。

       作者簡介

       婁慶，副教授、碩士生導師。博士畢業于中科院長春光學精密機械與物理研究所，導師趙家龍和曲松楠研究員，2015年入職鄭州大學物理學院金剛石光電材料與器件課題組。主要從事碳基光電材料與器件研究。近年來在Matter，Adv. Mater.，Adv. Sci，Nano Today，Nano Res.等期刊以第一作者或通訊作者發表論文20余篇，先后主持國家自然科學基金面上項目、河南聯合基金培育、青年基金等項目。

       楊西貴，副教授、碩士生導師。2017年7月畢業于吉林大學超硬材料國家重點實驗室，導師劉冰冰教授和姚明光教授，同年入職鄭州大學物理學院金剛石光電材料與器件課題組。主要從事高壓物理、金剛石單晶生長及其光電器件研究。近年來在Phys. Rev. Lett.，Nano Res.，J. Phys. Chem. Lett.，Carbon，Chin. Phys. Lett.等期刊以第一作者或通訊作者發表論文10余篇，先后主持國家自然科學基金青年項目、中國博士后基金特別資助和河南省自然科學基金面上項目等。

       單崇新，鄭州大學物理學院院長、教授、博士生導師。教育部“長江學者獎勵計劃”特聘教授、國家杰出青年基金獲得者、中國青年科技獎獲得者。主要從事寬禁帶半導體光電材料與器件研究工作，已發表學術論文300余篇，主持國家重大科研儀器研制項目、國家自然科學基金重點項目等。

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       文章信息

       Qing Lou, Xigui Yang*, Kaikai Liu, Zhongzheng Ding, Jinxu Qin, Yizhe Li, Chaofan Lv, Yuan Shang*, Yuewen Zhang, Zhuangfei Zhang, Jinhao Zang, Lin Dong & Chong-Xin Shan*. Pressure-induced photoluminescence enhancement and ambient retention in confined carbon dots.Nano Research https://doi.org/10.1007/s12274-021-3736-x