碳元素是地球上所有已知生命的基礎(chǔ)，在人類歷史發(fā)展和現(xiàn)代科技進(jìn)步中起到了舉足輕重的作用。伴隨C60、納米碳管和石墨烯等納米碳材料的發(fā)展，近兩年碳量子點(diǎn)成為研究熱點(diǎn)。與先前的蜂房結(jié)構(gòu)納米碳相比，碳量子點(diǎn)具有優(yōu)越的發(fā)光性能；與半導(dǎo)體量子點(diǎn)相比，碳量子點(diǎn)發(fā)光更穩(wěn)定、易于功能化和工業(yè)化、無(wú)毒、制備簡(jiǎn)單廉價(jià)，預(yù)期將給發(fā)光材料、光電器件、綠色環(huán)保、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域帶來(lái)新的發(fā)展空間。在此背景下，開展碳量子點(diǎn)的基礎(chǔ)研究具有重要的理論意義和應(yīng)用價(jià)值。
　　
　　在國(guó)家自然科學(xué)基金支持下，中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所分散體系化學(xué)與材料研究組自2008年以來(lái)圍繞發(fā)光碳量子點(diǎn)的制備、性能及其相關(guān)材料研究開展了一系列工作，取得良好的進(jìn)展。最近兩年在合成方法、相關(guān)材料設(shè)計(jì)制備方面取得突破性進(jìn)展。研究人員建立了在高溫溶劑中一步合成發(fā)光碳量子點(diǎn)方法，通過(guò)選擇性使用溶劑和表面包覆劑，獲得尺寸5nm左右的親油性和親水性的碳量子點(diǎn)，發(fā)光量子效率(QY)分別為61%(已經(jīng)與半導(dǎo)體量子點(diǎn)相當(dāng))和47%，具有明顯的激發(fā)波長(zhǎng)依賴的發(fā)光特性。以親油性的碳量子點(diǎn)為發(fā)光層，與中科院長(zhǎng)春應(yīng)化所合作，制作了首個(gè)碳量子點(diǎn)發(fā)光器件，器件具有明亮的白光，色坐標(biāo)為(0.40,0.43)，CRI指數(shù)82。在電壓為9V時(shí)亮度達(dá)到最大(35cd/m2)，最大外量子效率為0.083%。這是用發(fā)光碳量子點(diǎn)制作白光器件的首次嘗試。硅烷功能化的碳量子點(diǎn)還可用于細(xì)胞熒光標(biāo)記。
　　
　　上述研究結(jié)果在Adv.Funct.Mater(2011,21,1027)和ChemComm(2011,47,3502)雜志上發(fā)表后，立刻引起同行的關(guān)注和興趣。國(guó)際著名分析化學(xué)家IsiahM.Warner與美國(guó)12所大學(xué)的化學(xué)研究人員在聯(lián)合撰寫的綜述(Anal.Chem.2012,84,597)中，連續(xù)用了兩個(gè)“首次”高度評(píng)價(jià)本項(xiàng)研究結(jié)果：“首次報(bào)告了用含氨基的有機(jī)硅烷配位溶劑，通過(guò)與檸檬酸進(jìn)行酰胺化反應(yīng)，在不到1分鐘的反應(yīng)時(shí)間內(nèi)形成發(fā)光碳量子點(diǎn)(47%QY)的新合成方法……研究小組首次證明了C-量子點(diǎn)可以作為新一類發(fā)光體用于發(fā)展高性能白光LED器件”。
　　
　　此外，研究人員還發(fā)明了碳量子點(diǎn)原位預(yù)功能化技術(shù)，硅烷功能化的碳量子點(diǎn)可與多種有機(jī)硅烷水解共聚，實(shí)現(xiàn)碳量子點(diǎn)與基質(zhì)的共價(jià)鍵化學(xué)連接、分子水平分散和任意濃度摻雜，獲得一系列均質(zhì)碳量子點(diǎn)雜化復(fù)合材料和宏觀塊體。其中，有機(jī)無(wú)機(jī)雜化碳量子點(diǎn)共聚凝膠玻璃絕對(duì)發(fā)光效率最高可達(dá)88%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于已報(bào)道的半導(dǎo)體量子點(diǎn)復(fù)合材料的最高發(fā)光效率；在可見和近紅外區(qū)域具有高透光率(~90%)；并具有優(yōu)良的光、熱和力學(xué)穩(wěn)定性。研究表明，碳量子點(diǎn)及其復(fù)合材料具有寬波段(532,1064nm)光限幅性能。通過(guò)調(diào)整碳量子點(diǎn)的摻雜濃度(0-100%)，可實(shí)現(xiàn)雜化復(fù)合材料的光、熱和力學(xué)多種性能的方便調(diào)控。