碳基纳米材料发光机理的超快光谱研究

Due to their unique photophysical properites, fluorescent carbon nanomaterials, such as graphene oxide, graphene quantum dots and carbon nanodots, exhibit broad application potential for the developmet of new tpye of carbon-based photo-electronic/electronic-photo conversion devices, bio-labling and imaging.However, the electronic structure and photoluminescence (PL) mechanism are still unclear. In this project, using ultrafast spectroscopy with both time and frequencey resolution, we will investigate the internal relation between electronic structure and possible PL mechanism, for example, quantum confinement effect, molecule-like state emission, surface defect emission, and so on. Then we will explore the common physics that controls the emission color; and also take advantage of Ab-initio caculation,we will give a general description of fluorescence mechanism of carbon nanomaterial; and can design and modify carbon nanomaterials to realize certain fluorescence.This will provide feasible technique routes for preparation of fluorescent carbon nanomaterials with large and tunable emission wavelength range.

碳基荧光纳米材料，如石墨烯氧化物、石墨烯量子点、碳纳米点等，由于其奇特的光物理性质，在发展新型碳基光-电/电-光转换器件、生物标记及成像等方面有着广泛的应用前景，但是其电子结构和发光机理仍有待进一步深入研究。本课题拟通过超快光谱技术手段，以时域和频域分辨为特色对碳基荧光纳米材料的激发态动力学进行探测，揭示这些碳基纳米材料在电子结构与各种可能的发光机制，如量子限域效应、类分子态发光、表面缺陷发光等之间的内在联系；并结合第一性原理的的理论计算，给出碳基荧光纳米材料发光机理的较为统一的描述;初步实现对其荧光的定向设计和调控，为制备发光波长可大范围调节的荧光碳纳米材料提供思路。

碳基荧光纳米材料，如石墨烯氧化物、石墨烯量子点、碳纳米点等，由于其奇特的光物理性质，在发展新型碳基光-电/电-光转换器件、生物标记及成像等方面有着广泛的应用前景，但是其电子结构和发光机理仍有待进一步深入研究。本课题拟通过超快光谱技术手段，以时域和频域分辨为特色对碳基荧光纳米材料的激发态动力学进行探测，揭示这些碳基纳米材料在电子结构与各种可能的发光机制，如量子限域效应、类分子态发光、表面缺陷发光等之间的内在联系。通过实验我们证明了石墨烯氧化物、石墨烯氧化物纳米带和碳点有着不同的电子结构，即：石墨烯氧化物中存在比较多的非晶态的sp3/sp2结构，石墨烯氧化物纳米带该结构比较少，而在碳点当中则完全没有，碳点只是由sp2的碳原子和其周围包裹的含氧官能团组成。同时我们还发现，NaOH处理的石墨烯氧化物能减少石墨烯氧化物的含氧官能团数量且减弱sp2区和sp3区的相互作用，导致sp2区和sp3区的载流子动力学比未处理的石墨烯氧化物、HNO3处理的石墨烯氧化物加快很多。并且观察到了石墨烯氧化物从绝缘体到半导体到半金属状态的演化过程，确定了不同含氧量下半导体的带边位置以及半金属的临界状态。进一步研究石墨烯氧化物的荧光起源，通过和瞬态吸收结果对比，证明其荧光主要来源于sp2电子态，激发波长依赖的荧光特性是不同尺寸的sp2电子态的贡献，从而给出了石墨烯氧化物电子结构的完整物理图像。我们合成了不同形貌的二氧化钛和石墨烯的复合材料，如球状棒状的二氧化钛的复合材料；利用进行瞬态光谱的测试复合材料的电荷转移和光催化过程，发现不同含氧量的石墨烯氧化物的电子亲和能力有很大差别，复合体的电子转移过程的方向取决于其含氧量。我们还合成了不同发光颜色的碳点材料，利用瞬态光谱技术研究了红光碳点和绿光碳点的发光电子态。从而给出碳基荧光纳米材料发光机理的较为统一的描述。目前项目总计发表SCI论文16篇（其中5篇影响因子大于10，影响因子大于3论文12篇）圆满完成项目工作。