摘要
室温磷光碳点作为一种新型光致冷发光材料，具有粒径小、合成原料来源广泛、低毒甚至无毒、较好的生物相容性以及化学性质稳定等优势，在生物传感、发光器件、信息加密及防伪中表现出极大的应用潜力。在构建室温磷光碳点材料时，为了优化其磷光性能，可以从以下两个方面入手：（1）抑制三重激发态电子的非辐射跃迁。例如将CDs分散到合适的基质中（聚合物基质如聚乙烯醇、聚丙烯酰胺等，有机小分子基质如三聚氰胺、尿素等）可以为发光基团提供一个刚性的保护环境进而抑制三重态激子发生非辐射跃迁，从而构建高效室温磷光碳点材料。（2）促进单重态激子系间窜跃使其产生更多的三重激发态电子。例如引入含孤对电子的杂原子（N、B、P、S等）或羰基可以有效地提高系间窜跃。这两种策略在设计合成具有室温磷光性质的CDs时具有简单、高效、原料廉价易得等优点。并且，基质材料和碳点材料可以根据需要进行选择设计，因此通过这两种策略有望设计合成出具有长寿命且可以广泛应用的室温磷光材料。 本论文根据上述优化磷光性能的手段，通过高温煅烧的方法合成了具有室温磷光性能的碳点材料。并将其应用到信息加密和指纹成像等领域中。本论文研究的主要内容有： （1）水溶性室温磷光碳点材料的制备、表征及应用。以苯甲酸衍生物为原料，将其在研钵中研磨一段时间后放入马弗炉中在260℃保温12小时，成功地制备了碳点基室温磷光材料（PTA-CDs）。将合成的PTA-CDs粉末溶解到乙醇中配成乙醇溶液后与质量分数为10%的聚乙烯醇溶液混合并搅拌均匀得到PTA-CDs@PVA复合溶液。将该复合溶液均匀涂覆到玻璃或者普通纸张基底上，放入鼓风干燥箱中干燥得到透明的PTA-CDs@PVA复合薄膜，该复合薄膜的磷光寿命达148.8ms。基于PTA-CDs@PVA复合溶液的光致发光性能，可将其应用在信息加密中。将PTA-CDs@PVA复合溶液作为油墨通过丝网印刷技术将双鹤图案印刷至基底上，待油墨干燥后用365nm紫外光照射基底，可以明显地观察蓝色的飞鹤图案，撤掉光源后，观察到绿色的飞鹤图案。 （2）硼掺杂室温磷光碳点材料的制备、表征及应用。以苯甲酸衍生物和硼酸按照一定的质量比研磨混合后放到马弗炉中在260℃保温12小时，得到硼掺杂室温磷光碳点材料（B-CDs）。B-CDs材料展示出高达1.06s的室温磷光寿命，且其室温磷光的颜色可以通过调节激发光源的波长进行调控。研究发现，硼原子的掺杂对CDs的磷光发射至关重要。硼酸在受热分解后生成氧化硼，为发光基团提供一个刚性的保护环境，抑制了分子的运动，使三重态激子更多是以辐射跃迁的方式发射磷光。基于该材料更加出色的光致发光性能及独特的颜色可调性能，我们将B-CDs粉末填充到准备好的模具中，根据B-CDs有趣的发光依赖行为以及对水敏感的特性，我们将其应用于更加复杂的信息加密和信息防伪中。当用254nm光源照射粉末时以及撤除此波长光源后可以观察到明亮的蓝光发射，同样，当用365nm光源照射粉末时，粉末发出蓝白色的荧光，撤除光源后，发射绿色磷光。 （3）氮掺杂室温磷光碳点材料的制备、表征及应用。以尿素和对苯二胺作为碳源和氮源，通过一步热解两者的混合水溶液的方法制备同时具有荧光和室温磷光特性的N-CDs材料。该材料在自然光下为淡红色粉末，当用波长为365nm紫外光源照射时，粉末发射蓝色的荧光，关掉光源后展示绿色的室温磷光，且磷光寿命约为782.39ms。由于N-CDs表面存在大量的羰基，氨基氮和吡咯氮等，N-CDs之间容易形成氢键可以有效地抑制发光基团的振动，旋转，碰撞，阻碍激发态激子的非辐射跃迁，从而有效提高该材料的室温磷光性能。基于N-CDs的荧光和室温磷光双发射行为，我们将其用于指纹成像中。将研磨后的N-CDs粉末均匀地覆盖在留有指纹的物体表面，然后用毛刷轻轻地刷去多余的粉末，仅留下手指指纹上的粉末。当用365nm紫外光源照射时，可以清楚地观察的指纹脊线的形状，宽度和边缘轮廓。
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