中科院长春光机所发光碳纳米粒子获新成果

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（a）碳纳米粒子原子力扫描图；（b）碳纳米粒子乙醇溶液不同泵浦强度下的发射光谱；（c）碳纳米粒子激光远场光斑；（d）碳纳米点激光强度随偏振方向变化的曲线；（e）碳纳米点激光发射光谱和阈值曲线。

碳材料在小于10纳米时具有发光特性。之前，国际上认为碳纳米粒子在绿光波段的发射是源自碳纳米粒子表面的缺陷，而这种缺陷发光来源被认为很难实现激光。

近日，中国科学院长春光学精密机械与物理研究所（以下简称长春光机所）副研究员曲松楠所在的科研团队实现了碳纳米粒子所发蓝光和绿光的调控，首次实现了碳纳米粒子在绿光波段的光泵浦激光。

新兴的发光材料

早在2006年，美国克莱蒙森大学的科学家们就制造出一种碳纳米粒子，在光照的情况下，可以发出明亮的光。

当年，克莱蒙森大学化学博士孙亚平曾指出，碳不是半导体，发光碳纳米粒子不管是从理论角度还是从应用角度看都很有意思，它是一类新兴的发光材料，代表一个新的研究平台。

更早前，发光无机半导体纳米粒子的研究非常活跃，尤其是其在生物和医学中的应用。无机半导体纳米粒子一般含重金属内核（铅、镉），有一定毒性，对环境也存在危害，所以科学家们开始以一些无毒的化合物制备新的发光纳米粒子。

发光碳纳米粒子具有独特的优点，如化学稳定性、无光闪烁、耐光漂、无毒、造价比较便宜以及优异的生物相容性。

2012年，长春光机所基于碳纳米粒子，研制出一种具有生物相容性的荧光墨水。曲松楠正是当年这个技术的主要研发者。

他们以柠檬酸、尿素为原料，通过微波法制备出高荧光量子效率的碳纳米粒子。

绿光波段本征发光

其实，近年来对于碳纳米点发光机理存在很大争议，主要围绕着是本征发光还是表面缺陷发光。表面缺陷发光，意味着发光特性很难掌控，发光过程为能量耗散过程，不利于高性能光电器件及激光器件的制备。

此前，碳纳米粒子被证实可在蓝光波段实现本征发光，并已实现蓝光波段激光，但截至目前，还没有碳纳米粒子在绿光波段实现本征发光和激光的报道。

“本征发光是碳纳米粒子形成激光的前提，碳纳米粒子发光带系可调控意味着碳纳米粒子还可以在其他波段实现激光。”曲松楠告诉记者。

在此之前，因为不清楚碳纳米粒子的发光机理，长期以来科学家们一直认为这种纳米粒子相比宏观碳，具有非常奇特的化学和物理性质，并且认为其发光是缺陷发光，尤其在绿光波段比较难于实现激光。

而曲松楠科研团队的研究不仅证实了碳纳米粒子在绿光波段的发光为本征发光，还在绿光波段实现碳纳米粒子光泵浦激光。这个发现将直接影响碳纳米粒子的应用领域及应用前景。

未来的潜在应用

科学家们相信，碳纳米粒子在改进生物传感器、医学成像设备和微小的发光二极管等领域中都有应用前景。

2012年，曲松楠所在的团队发现，利用碳纳米粒子激发波长依赖的特性，与有机染料配合，在生物制品上可构筑具有信息加密的图形，这可以应用于信息存储和信息加密中。这些独特的性质使碳纳米点走进我们的现实生活成为可能。

他们甚至研制出一种新型的荧光墨水。这种墨水可以应用到生物成像、生物产品鉴定、信息存储、信息加密、防伪、照明显示、传感、光伏器件等多种领域。

2013年，他们第一次基于具有双荧光发射的碳纳米粒子构筑了比率型荧光探针，在水溶液体系可精确识别温度、pH值、Fe3+浓度，这促进了碳纳米粒子在生物成像、医疗检测、环境监测等领域中的应用。

最近，他们又在绿光波段实现了碳纳米粒子光泵浦激光。这预示着碳纳米粒子可以作为一类成本低、绿色环保、光稳定性好的新型激光材料，在未来光电器件上具有广泛的应用潜质。

在此之前，曲松楠一直从事有机功能材料的研究。随着碳纳米粒子作为发光材料的兴起，他从2012年开始介入该研究领域。

“我们下一步的目标是实现碳纳米粒子电致激光。”曲松楠说，“关键在于研制出一种适合碳纳米粒子的高效的电致发光器件，这样有利于未来在光电领域的应用。”

曲松楠所在的发光学及应用国家重点实验室里，有几位年轻人也一起加入了这项研究。“国内外水平相当，几乎在同一起跑线上。前期我们的研究一直比较顺利，但接下来科研工作将面临新的挑战。”