過去十年中，基于輕元素的熒光材料、膠體石墨烯量子點和碳點（CD）引起了巨大的科學(xué)興趣。然而，固態(tài)熒光（SSF）材料的開發(fā)在實際應(yīng)用中出現(xiàn)了重大挑戰(zhàn)。這項研究通過探索基于碳的固態(tài)微光子發(fā)射器的未探索的光子方面來解決這一知識差距。所提出的合成方法側(cè)重于碳化聚合物微球（CPM）而不是傳統(tǒng)的納米點。這些微球在從藍色到紅色的整個可見光譜范圍內(nèi)表現(xiàn)出卓越的 SSF。除了其固有的基于 CD 的屬性之外，CPM 的高度球形形狀還賦予了內(nèi)置的光子屬性。利用其依賴于激發(fā)的光致發(fā)光特性，這些微球在可見光譜區(qū)域的回音壁模式共振的輔助下表現(xiàn)出放大的自發(fā)發(fā)射。值得注意的是，與傳統(tǒng)的半導(dǎo)體量子點或染料摻雜微諧振器不同，這種單一微結(jié)構(gòu)展示了適應(yīng)性強的諧振發(fā)射，無需進行結(jié)構(gòu)/化學(xué)修改。這種獨特的屬性可實現(xiàn)多種應(yīng)用，包括用于白光發(fā)射的微腔輔助能量轉(zhuǎn)移、高靈敏度化學(xué)傳感和安全加密防偽措施。這種跨學(xué)科方法集成了光子學(xué)和化學(xué)，為基于輕元素的 SSF 提供了強大的解決方案，具有固有的光子功能和廣泛的應(yīng)用。
圖 1. 通過 CA 和肽結(jié)構(gòu)之間的水熱反應(yīng)以及激發(fā)波長依賴性顏色可變光子微諧振器結(jié)構(gòu)合成 CPM 的示意圖。插圖顯示了 CPM 在日光和紫外線下的數(shù)碼照片。
圖 2. (a–d) CPM 的 SEM 圖像（注釋為 CPM-A 和 CPM-B）。 (e–h) 單個 CPM-A 的 SEM-EDS 元素圖。 (i) 通過控制交聯(lián)來調(diào)整顆粒形態(tài)，將 CPM 形成 CPD 結(jié)構(gòu)的合成策略。
圖 3. (a–c) EPL 和 CPM 的 XRD、FTIR 和 XPS 光譜。 CPM-A 的 (d) C-1s、(e) N-1s 和 (f) O-1s 的解卷積 XPS 譜。 (g–i)與起始材料CA和EPL相比的固態(tài)13C CPMAS NMR譜，以及CPM-A的15N CPMAS實驗譜。
圖 4.(a) CPM-A 的紫外-可見光譜（插圖為照片）。 (b) 優(yōu)化后的 IPCA 衍生分子和前沿軌道能量圖的高斯計算結(jié)果。 (c) 不同激發(fā)波長下CPM-A的PL光譜。 (d) CPM-A 的歸一化激發(fā)發(fā)射光譜。 (e) 不同激發(fā)波長下的 PLQY。 (f) CPM-A 在 361 和 449 nm 激發(fā)下的 PL 衰減曲線，并分別在 449 和 532 nm 處監(jiān)測。 (g) 用 355、470 和 532 nm 激光激發(fā)記錄的 CPM-A 多色發(fā)射的 μ-PL 圖像。 (h) CPM-A 多色發(fā)射的相應(yīng) CIE 坐標。
圖 5.(a) ASE 從藍色到紅色波長的示意圖。 (b-d) 通過在其邊緣進行 355、470 和 532 nm 激光激發(fā)，單個 CMP 發(fā)出藍-紅范圍內(nèi)的 WGM 發(fā)射；插圖顯示了單個 CPM 的相應(yīng) PL 圖像和光限制示意圖。 (e) 單個微球的 μ-PL 映射圖像和相應(yīng)的邊緣光限制。 (f) 通過不同激發(fā)激光源的 CPM 的 Q 因子。 (g) 不同直徑 CPM 的 ASE 行為以及通過 470 nm 激光邊緣激發(fā)（比例尺 20 μm）獲得的相應(yīng) PL 圖像。 (h) 在 470 nm 處激發(fā)的實驗（上）和模擬（中）PL 光譜以及在單個微球的 TM 和 TE 共振下激發(fā)的電場分布（下）。
圖 6. (a) CPM-B 和 PLE 的歸一化 PL 光譜以及 Rh6G/PVA 薄膜的 PL 光譜。 (b) 摻入 CPM-B 和 Rh6G 的微球在日光和紫外光下的照片。 (c, d) 使用 355 nm UV 激光激發(fā)和相應(yīng) WLE 的 WGM 發(fā)射（比例尺 20 μm）。 (e) WLE 的 CIE 坐標。插圖顯示了 400 nm 光激發(fā)下的直接 WLE 照片。
圖 7. 使用 (a) CPM-A 和 (b) 和 (c) CPM-A+CPM@Rh6G2 墨水混合物在紫外光下在白紙上印制印章的熒光照片。 (d-f) 相應(yīng)熒光印章的白色標記區(qū)域的放大共焦熒光顯微鏡圖像。使用 (g) CPM-A 和 (h) 和 (i) CPM-A+CPM@Rh6G2 墨水制作的微區(qū)域絞印章的 μ-PL 映射圖像。 (j) 和 (m)、(k) 和 (n)、(l) 和 (o) μ-PL 光譜在不同位置（白色方塊）的相應(yīng) CIE 坐標處從 (分別為g)、(h)和(i)。
圖 8. (a, b) 增量添加 H2O2 時的 μ-PL 光譜，在微結(jié)構(gòu)的邊緣和中心均施加激光激發(fā)。 (c) PL 強度隨過氧化物濃度對數(shù)的降低。 （插圖示意性地表示球體上的激光激發(fā)。）（d）μ-PL 圖像捕獲了微球體邊緣（上）和中心（下）從初始狀態(tài)到不同濃度 H2O2 的過程。 470 nm 脈沖激光作為激發(fā)光源。
相關(guān)科研成果由國家材料科學(xué)研究所 (NIMS) Tadaaki Nagao等人于2024年發(fā)表在ACS Appl. Mater. Interfaces（https://doi.org/10.1021/acsami.3c18035）上。原文：Bioinspired Carbonized Polymer Microspheres for Full-Color Whispering Gallery Mode Emission for White Light Emission, Unclonable Anticounterfeiting, and Chemical Sensing Applications
原文鏈接：https://doi.org/10.1021/acsami.3c18035
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號
