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）引起了巨大的科學興趣。然而，固態熒光（SSF）材料的開發在實際應用中出現了重大挑戰。這項研究通過探索基于碳的固態微光子發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重于碳化聚合物微球（CPM）而不是傳統的納米點。這些微球在從藍色到紅色的整個可見光譜范圍內表現出卓越的 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置的光子屬性。利用其依賴于激發的光致發光特性，這些微球在可見光譜區域的回音壁模式共振的輔助下表現出放大的自發發射。值得注意的是，與傳統的半導體量子點或染料摻雜微諧振器不同，這種單一微結構展示了適應性強的諧振發射，無需進行結構/化學修改。這種獨特的屬性可實現多種應用，包括用于白光發射的微腔輔助能量轉移、高靈敏度化學傳感和安全加密防偽措施。這種跨學科方法集成了光子學和化學，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用。
圖 1. 通過 CA 和肽結構之間的水熱反應以及激發波長依賴性顏色可變光子微諧振器結構合成 CPM 的示意圖。插圖顯示了 CPM 在日光和紫外線下的數碼照片。
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) 通過控制交聯來調整顆粒形態，將 CPM 形成 CPD 結構的合成策略。
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) 優化后的 IPCA 衍生分子和前沿軌道能量圖的高斯計算結果。 (c) 不同激發波長下CPM-A的PL光譜。 (d) CPM-A 的歸一化激發發射光譜。 (e) 不同激發波長下的 PLQY。 (f) CPM-A 在 361 和 449 nm 激發下的 PL 衰減曲線，并分別在 449 和 532 nm 處監測。 (g) 用 355、470 和 532 nm 激光激發記錄的 CPM-A 多色發射的 μ-PL 圖像。 (h) CPM-A 多色發射的相應 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，單個 CMP 發出藍-紅范圍內的 WGM 發射；插圖顯示了單個 CPM 的相應 PL 圖像和光限制示意圖。 (e) 單個微球的 μ-PL 映射圖像和相應的邊緣光限制。 (f) 通過不同激發激光源的 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（比例尺 20 μm）獲得的相應 PL 圖像。 (h) 在 470 nm 處激發的實驗（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 激光激發和相應 WLE 的 WGM 發射（比例尺 20 μm）。 (e) WLE 的 CIE 坐標。插圖顯示了 400 nm 光激發下的直接 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) 相應熒光印章的白色標記區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 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，在微結構的邊緣和中心均施加激光激發。 (c) PL 強度隨過氧化物濃度對數的降低。 （插圖示意性地表示球體上的激光激發。）（d）μ-PL 圖像捕獲了微球體邊緣（上）和中心（下）從初始狀態到不同濃度 H2O2 的過程。 470 nm 脈沖激光作為激發光源。
相關科研成果由國家材料科學研究所 (NIMS) Tadaaki Nagao等人于2024年發表在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
轉自《石墨烯研究》公眾號
