發(fā)光碳納米粒子的新收獲
曲松楠科研團隊的研究不僅證實了碳納米粒子在綠光波段的發(fā)光為本征發(fā)光，還在綠光波段實現(xiàn)碳納米粒子光泵浦激光。這個發(fā)現(xiàn)將直接影響碳納米粒子的應用領域及應用前景。
碳材料在小于10納米時具有發(fā)光特性。之前，國際上認為碳納米粒子在綠光波段的發(fā)射是源自碳納米粒子表面的缺陷，而這種缺陷發(fā)光來源被認為很難實現(xiàn)激光。
近日，中國科學院長春光學精密機械與物理研究所（以下簡稱長春光機所）副研究員曲松楠所在的科研團隊實現(xiàn)了碳納米粒子所發(fā)藍光和綠光的調控，首次實現(xiàn)了碳納米粒子在綠光波段的光泵浦激光。
新興的發(fā)光材料
早在2006年，美國克萊蒙森大學的科學家們就制造出一種碳納米粒子，在光照的情況下，可以發(fā)出明亮的光。
當年，克萊蒙森大學化學博士孫亞平曾指出，碳不是半導體，發(fā)光碳納米粒子不管是從理論角度還是從應用角度看都很有意思，它是一類新興的發(fā)光材料，代表一個新的研究平臺。
更早前，發(fā)光無機半導體納米粒子的研究非?；钴S，尤其是其在生物和醫(yī)學中的應用。無機半導體納米粒子一般含重金屬內核（鉛、鎘），有一定毒性，對環(huán)境也存在危害，所以科學家們開始以一些無毒的化合物制備新的發(fā)光納米粒子。
發(fā)光碳納米粒子具有獨特的優(yōu)點，如化學穩(wěn)定性、無光閃爍、耐光漂、無毒、造價比較便宜以及優(yōu)異的生物相容性。
2012年，長春光機所基于碳納米粒子，研制出一種具有生物相容性的熒光墨水。曲松楠正是當年這個技術的主要研發(fā)者。
他們以檸檬酸、尿素為原料，通過微波法制備出高熒光量子效率的碳納米粒子。
綠光波段本征發(fā)光
其實，近年來對于碳納米點發(fā)光機理存在很大爭議，主要圍繞著是本征發(fā)光還是表面缺陷發(fā)光。表面缺陷發(fā)光，意味著發(fā)光特性很難掌控，發(fā)光過程為能量耗散過程，不利于高性能光電器件及激光器件的制備。
此前，碳納米粒子被證實可在藍光波段實現(xiàn)本征發(fā)光，并已實現(xiàn)藍光波段激光，但截至目前，還沒有碳納米粒子在綠光波段實現(xiàn)本征發(fā)光和激光的報道。
“本征發(fā)光是碳納米粒子形成激光的前提，碳納米粒子發(fā)光帶系可調控意味著碳納米粒子還可以在其他波段實現(xiàn)激光。”曲松楠告訴記者。
在此之前，因為不清楚碳納米粒子的發(fā)光機理，長期以來科學家們一直認為這種納米粒子相比宏觀碳，具有非常奇特的化學和物理性質，并且認為其發(fā)光是缺陷發(fā)光，尤其在綠光波段比較難于實現(xiàn)激光。
而曲松楠科研團隊的研究不僅證實了碳納米粒子在綠光波段的發(fā)光為本征發(fā)光，還在綠光波段實現(xiàn)碳納米粒子光泵浦激光。這個發(fā)現(xiàn)將直接影響碳納米粒子的應用領域及應用前景。
未來的潛在應用
科學家們相信，碳納米粒子在改進生物傳感器、醫(yī)學成像設備和微小的發(fā)光二極管等領域中都有應用前景。
2012年，曲松楠所在的團隊發(fā)現(xiàn)，利用碳納米粒子激發(fā)波長依賴的特性，與有機染料配合，在生物制品上可構筑具有信息加密的圖形，這可以應用于信息存儲和信息加密中。這些獨特的性質使碳納米點走進我們的現(xiàn)實生活成為可能。
他們甚至研制出一種新型的熒光墨水。這種墨水可以應用到生物成像、生物產(chǎn)品鑒定、信息存儲、信息加密、防偽、照明顯示、傳感、光伏器件等多種領域。
2013年，他們第一次基于具有雙熒光發(fā)射的碳納米粒子構筑了比率型熒光探針，在水溶液體系可精確識別溫度、pH值、Fe3+濃度，這促進了碳納米粒子在生物成像、醫(yī)療檢測、環(huán)境監(jiān)測等領域中的應用。最近，他們又在綠光波段實現(xiàn)了碳納米粒子光泵浦激光。這預示著碳納米粒子可以作為一類成本低、綠色環(huán)保、光穩(wěn)定性好的新型激光材料，在未來光電器件上具有廣泛的應用潛質。
在此之前，曲松楠一直從事有機功能材料的研究。隨著碳納米粒子作為發(fā)光材料的興起，他從2012年開始介入該研究領域。
“我們下一步的目標是實現(xiàn)碳納米粒子電致激光。”曲松楠說，“關鍵在于研制出一種適合碳納米粒子的高效的電致發(fā)光器件，這樣有利于未來在光電領域的應用。”
曲松楠所在的發(fā)光學及應用國家重點實驗室里，有幾位年輕人也一起加入了這項研究。“國內外水平相當，幾乎在同一起跑線上。前期我們的研究一直比較順利，但接下來科研工作將面臨新的挑戰(zhàn)。”對于未來，他們充滿期待。
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