过去十年中，基于轻元素的荧光材料、胶体石墨烯量子点和碳点（CD）引起了巨大的科学兴趣。然而，固态荧光（SSF）材料的开发在实际应用中出现了重大挑战。这项研究通过探索基于碳的固态微光子发射器的未探索的光子方面来解决这一知识差距。所提出的合成方法侧重于碳化聚合物微球（CPM）而不是传统的纳米点。这些微球在从蓝色到红色的整个可见光谱范围内表现出卓越的 SSF。除了其固有的基于 CD 的属性之外，CPM 的高度球形形状还赋予了内置的光子属性。利用其依赖于激发的光致发光特性，这些微球在可见光谱区域的回音壁模式共振的辅助下表现出放大的自发发射。值得注意的是，与传统的半导体量子点或染料掺杂微谐振器不同，这种单一微结构展示了适应性强的谐振发射，无需进行结构/化学修改。这种独特的属性可实现多种应用，包括用于白光发射的微腔辅助能量转移、高灵敏度化学传感和安全加密防伪措施。这种跨学科方法集成了光子学和化学，为基于轻元素的 SSF 提供了强大的解决方案，具有固有的光子功能和广泛的应用。
 

图 1. 通过 CA 和肽结构之间的水热反应以及激发波长依赖性颜色可变光子微谐振器结构合成 CPM 的示意图。插图显示了 CPM 在日光和紫外线下的数码照片。
 

图 2. (a–d) CPM 的 SEM 图像（注释为 CPM-A 和 CPM-B）。 (e–h) 单个 CPM-A 的 SEM-EDS 元素图。 (i) 通过控制交联来调整颗粒形态，将 CPM 形成 CPD 结构的合成策略。
 
 
图 3. (a–c) EPL 和 CPM 的 XRD、FTIR 和 XPS 光谱。 CPM-A 的 (d) C-1s、(e) N-1s 和 (f) O-1s 的解卷积 XPS 谱。 (g–i)与起始材料CA和EPL相比的固态13C CPMAS NMR谱，以及CPM-A的15N CPMAS实验谱。
 
 
图 4.(a) CPM-A 的紫外-可见光谱（插图为照片）。 (b) 优化后的 IPCA 衍生分子和前沿轨道能量图的高斯计算结果。 (c) 不同激发波长下CPM-A的PL光谱。 (d) CPM-A 的归一化激发发射光谱。 (e) 不同激发波长下的 PLQY。 (f) CPM-A 在 361 和 449 nm 激发下的 PL 衰减曲线，并分别在 449 和 532 nm 处监测。 (g) 用 355、470 和 532 nm 激光激发记录的 CPM-A 多色发射的 μ-PL 图像。 (h) CPM-A 多色发射的相应 CIE 坐标。
 
 
图 5.(a) ASE 从蓝色到红色波长的示意图。 (b-d) 通过在其边缘进行 355、470 和 532 nm 激光激发，单个 CMP 发出蓝-红范围内的 WGM 发射；插图显示了单个 CPM 的相应 PL 图像和光限制示意图。 (e) 单个微球的 μ-PL 映射图像和相应的边缘光限制。 (f) 通过不同激发激光源的 CPM 的 Q 因子。 (g) 不同直径 CPM 的 ASE 行为以及通过 470 nm 激光边缘激发（比例尺 20 μm）获得的相应 PL 图像。 (h) 在 470 nm 处激发的实验（上）和模拟（中）PL 光谱以及在单个微球的 TM 和 TE 共振下激发的电场分布（下）。
 
 
图 6. (a) CPM-B 和 PLE 的归一化 PL 光谱以及 Rh6G/PVA 薄膜的 PL 光谱。 (b) 掺入 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 激光激发和相应 WLE 的 WGM 发射（比例尺 20 μm）。 (e) WLE 的 CIE 坐标。插图显示了 400 nm 光激发下的直接 WLE 照片。
 
 
图 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纸上印制印章的荧光照片。 (d-f) 相应荧光印章的白色标记区域的放大共焦荧光显微镜图像。使用 (g) CPM-A 和 (h) 和 (i) CPM-A+CPM@Rh6G2 墨水制作的微区域绞印章的 μ-PL 映射图像。 (j) 和 (m)、(k) 和 (n)、(l) 和 (o) μ-PL 光谱在不同位置（白色方块）的相应 CIE 坐标处从 (分别为g)、(h)和(i)。
 

图 8. (a, b) 增量添加 H2O2 时的 μ-PL 光谱，在微结构的边缘和中心均施加激光激发。 (c) PL 强度随过氧化物浓度对数的降低。 （插图示意性地表示球体上的激光激发。）（d）μ-PL 图像捕获了微球体边缘（上）和中心（下）从初始状态到不同浓度 H2O2 的过程。 470 nm 脉冲激光作为激发光源。
 
        相关科研成果由国家材料科学研究所 (NIMS) Tadaaki Nagao等人于2024年发表在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
原文链接：https://doi.org/10.1021/acsami.3c18035

转自《石墨烯研究》公众号