愛迪生發明或者改進白熾燈的故事，是家喻戶曉的。然而，白熾燈雖然帶來了光明，發光效率卻并不是很高。20世紀以來，人造光源從白熾燈、熒光燈逐漸向發光二極管（LED）轉變。2014年，諾貝爾物理學獎授予天野浩(Hiroshi Amano)、中村修二(Shuji Nakamur)和赤崎勇(Isamu Akasaki)，以表彰他們發明了高效藍光LED，使明亮而節能的白色光源成為可能。要想實現白光LED，必須湊夠紅綠藍三原色。在藍色LED問世之前，紅色和綠色的LED材料已經被發現，為什么藍光（短波長）的LED燈如此的重要呢？這是因為，藍光具有較高的能量，可以激發熒光材料發出比藍光能量低的光，即波長較長的光。換言之，藍光LED材料和不同熒光材料的組合可以創造更多種類的白光，為了尋找藍色LED，科學家用了整整30年，這也是為什么諾貝爾獎單單授予藍光LED發明者，而忽略其他顏色LED發明者的原因。白光發光二極管（WLED）憑借使用壽命長、結構緊湊以及顯著的節能效果等優勢，被認為是下一代照明設備的首選。當今白光主要是通過藍光或紫光LED芯片與多色熒光粉的組合方式產生。在眾多研究的新型熒光粉材料中，膠體半導體量子點成為顯示和照明技術發展的潛在候選者。然而，絕大多數半導體量子點在合成、穩定性和環境安全性方面仍然具有挑戰。近年來，環境友好、成本低廉以及穩定性高的碳量子點已作為開發WLED的新型熒光粉出現，有望成為光電器件關鍵材料。眾所周知，通常石墨相的碳材料都是黑色的，在紫外光照射下不能產生熒光現象。有趣的是，當碳材料的尺寸小到10納米以下，它的帶隙就會被打開，具有半導體材料特性，在紫外光照射下就可以發出五顏六色的熒光。這樣的碳材料我們稱之為“碳量子點”。作為開發WLED的新型熒光粉，碳量子點具有獨特的優勢：然而，通常情況下，大多數碳量子點僅僅發射藍色、綠色或黃色熒光，難以構筑基于碳量子點的各種類型的高顯色指數WLED。因此，碳量子點發射光譜和熒光顏色可調局限性，成為了關鍵技術瓶頸。如何將碳量子點的熒光擴展到整個可見光光譜，并實現環境友好的規模化制備，最終構建多類型WLED模塊，近年來一直是國際研究的熱點。為了解決以上問題，上海大學吳明紅教授，王亮副研究員課題組發展了一種酸試劑調控材料表面給電子基團/吸電子基團策略，實現了高亮度、高穩定的全色熒光碳量子點的合成，并成功地研制了全色發光膜以及多種類型的高顯色指數WLED器件。1）材料表面給電子基團/吸電子基團調控策略制備高亮度、高穩定的全色熒光碳量子點。2）研制了基于碳量子點的全色發光膜和多種類型的高顯色指數WLED器件。圖1. 全色熒光碳量子點的酸試劑調控合成策略示意圖及其熒光照片通過酸試劑調控材料表面給電子基團/吸電子基團策略，研究人員成功地合成了從藍色到紅色甚至白色的明亮且高穩定的全色熒光碳量子點，并闡明了量子尺寸效應。合成策略在融合過程中依賴于引入的酸試劑的吸電子基團，該基團在碳量子點表面上不斷的增長，使得其發光波長紅移并增加其粒徑，最終實現了碳量子點在高熒光量子產率、光學可調性、出色的穩定性等方面的完美結合，從而構建出優異特性的WLED器件，包括暖色、標準色和冷色WLED。圖2 全色熒光碳量子點在熒光復合膜和WLED領域中的應用。雖然藍光LED獲得諾貝爾獎，但是如何將其和各種熒光材料組合，以實現更優異的白光LED，依然存在許多挑戰和機遇。利用酸試劑調控材料表面給電子基團/吸電子基團合成策略，為開發具有可調光學特性的高質量碳量子點的實用合成技術提供了有價值的參考。除此之外，利用該策略制備的碳量子點在環境中重金屬離子和污染物檢測、光催化和電催化處理環境中難降解有機廢水、生物成像、能量轉換與存儲器件、柔性光電器件等領域具有廣闊的應用前景。Liang Wang*, Minghong Wu*, Full-color fluorescent carbon quantum dots, Science Advances, 2020, 6, eabb6772.https://advances.sciencemag.org/content/6/40/eabb6772
