碳纳米点发光动力学研究取得进展

最近，中国科学院长春光学精密力学与物理研究所的曲松南课题组与荷兰阿姆斯特丹大学的张虹教授合作，利用偏振相关的飞秒瞬态吸收光谱技术，研究了掺杂异质元素的碳纳米点的各向异性发光以及碳纳米点偶极子与极性分子偶极子之间的相互作用，并分析了其偶极子发光中心的来源。

碳纳米点具有高荧光量子效率、优异的光稳定性、良好的生物相容性、低毒性和低成本的优点，已经应用于生物发光标记、光催化、电致发光、太阳能电池等领域。人们使用方位偏振光(APLB)来激发单个碳纳米点，观察哑铃形图案，并确认其发光来源于固定偶极子。

该论文的第一作者和副研究员景说，具有偏振发光特性的碳纳米点有望应用于偏振调制的超分辨率荧光显微成像。然而，碳纳米点的发光来源仍然存在争议，尤其是其各向异性发光的原因尚不清楚，这极大地限制了碳纳米点的发展和应用。具有高荧光量子效率的碳纳米点通常需要在合成过程中引入氮、氧等掺杂原子。这些掺杂的原子很可能导致碳纳米点的各向异性发光。因此，研究碳掺杂纳米点的各向异性发光来源将有助于我们理解其发光机理。

利用偏振相关的飞秒瞬态吸收光谱，研究人员观察了碳纳米点的各向异性吸收和受激发射以及碳纳米点偶极子和溶剂分子偶极子之间相互作用的动态过程，证明了碳纳米点中存在一个固定的偶极子中心。当偏振飞秒脉冲光激发碳纳米点时，在碳纳米点中产生电子-空穴对，即偶极，这打破了碳纳米点和处于基态的极性溶剂分子之间的平衡。碳纳米点周围的极性溶剂分子将快速旋转，以适应碳纳米点中偶极的变化，降低系统能量，并导致发光峰红移。这种现象被称为溶剂化过程。

荆说:“在实验中，我们观察到碳纳米点受激发射峰随时间的红移过程。通过分析，我们可以得到水的溶解时间常数约为1 ps。改变溶剂中水的比例和粘度，溶剂化过程的时间常数通常为1-20 ps。碳纳米点偶极子和极性溶剂分子偶极子之间的相互作用以及碳纳米点的各向异性发光特性表明它们在偏振光发光二极管、超分辨率成像等领域具有潜在的应用价值(沈春雷、李蓉)

《中国科学报》(第五版《创新周刊》，2017年8月28日)