摘要
碳点（carbondots,CDs）作为碳纳米材料家族的新成员，因其独特的光学性质引起了广泛的研究兴趣。与传统的有机染料和半导体量子点相比，CDs不仅保留了传统碳材料良好的生物相容性和低细胞毒性，还具有可调节的光致发光性、优异的光稳定性、良好的水溶性和化学惰性等优点，在生物医学、光电器件、储能设备和催化剂等领域都拥有着巨大的应用潜力。目前，已有大量研究报道了通过杂原子掺杂、表面修饰、尺寸调控等手段对CDs的发光波长进行调控，其发光颜色可从深蓝延伸到近红外区域，但依然存在如下问题：在紫外区域发光的CDs鲜有报道，这是由于合成过程中发光中心的共轭尺寸和元素组成难以精确控制；虽然CDs的发光调控方法较多，但发光机理仍不清楚，结构对发光性能的作用机制有待研究。这些问题给碳点在发光器件中的性能优化和应用拓展带来阻碍。针对上述问题，本文开展了两个方面的研究工作，具体分述如下： 在第一部分工作（第二章）中，提出了一种全新的sp3区室效应策略（sp3-compartmentalizationstrategy），并通过水热法制备了一种兼具超窄发射峰（半峰宽为24nm）、高固态量子产率（20.2%）和良好环境适应性等优点的紫外B波段（UVB）发射碳点（命名为UVB-CDs，λmax=308nm），并且在77-380K的温度范围内和不同的溶剂中都表现出稳定的发光行为。与之相比，当仅使用邻苯二胺作为前驱体时，水热反应后得到的是具有严重ACQ效应（固态量子产率小于0.1%）且发射峰较宽（94nm）的红光碳点（N-CDs）。进一步研究了UVB-CDs和N-CDs在形貌和结构上的差异。当在反应原料中加入大量冰醋酸（AA）时，CDs中sp3杂化碳原子的比例明显提升（Csp3/Csp2从0.91增加到2.01），使得sp2发光中心的共轭程度得到显著降低，导致发射波长蓝移至UVB区域（从600到293nm）。更重要的是，AA参与反应带来的大量sp3杂化碳原子能够有效区室化分隔发光中心基元，从而极大程度地降低了发光中心的相互影响以及环境对碳点的干扰，使得UVB-CDs具有较高的固态发光效率以及环境适应性。基于UVB-CDs良好的光学性质，其被制作成光转换型UVB发光二极管（LED）进一步应用于植物照明。实验结果表明，UVB-CDs能够将对植物有害的UVC光转换为有益的UVB光，使得植株的抗坏血酸和花青素等营养物质的含量得到显著提升。上述研究成果为碳点结构和性能的合理化设计提供了新的思路，同时拓展了碳点在紫外发光器件中的应用。 在第二部分工作（第三章）中，通过水热法制备了多色发光CDs，并通过柱层析分离得到了具有蓝光（B-CDs）、绿光（G-CDs）和红光（R-CDs）发射的三种组分。B-CDs、G-CDs和R-CDs具有相似的粒径大小（3.49，3.20和3.43nm），且都呈现出类球形结构。进一步研究了B-CDs、G-CDs和R-CDs在结构上的差异，虽然它们来源于相同的原料并且具有相似的石墨结构，但由于石墨化程度的不同，呈现出完全不同的元素和结构组成。具体而言，随着CDs中C-C/C=C键和石墨化氮含量的上升（均来源于石墨化程度的增加），发光出现明显红移（从B-CDs到R-CDs）。为了证明此推测，设计了碳点的结构演化实验，将G-CDs通过溶剂热法进一步碳化，发现碳点的发射从545红移到了580nm，并伴随着C-C/C=C键和石墨化氮含量的上升。这些现象均证明了CDs石墨化程度与发光波长之间的直接关联，揭示了CDs结构对发光性能的作用机制。此外，基于B-CDs、G-CDs和R-CDs的不同发光性质，将它们通过一定比例调配得到具有白色发光的材料（W-CDs，色坐标：0.33，0.33），并进一步被应用于白光LED中。 本论文选择合适的原料，通过改变反应条件以及提纯手段合成了多种不同发射波长的CDs。随后，分别对它们的形貌、结构、光学性质等进行了一系列表征和测试，构建了CDs结构和发光性质之间的有效关联，并对CDs在LED领域的应用进行了探索和研究。
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