近日，鄭州大學物理學院在全光譜碳納米點三重態激子發光研究方面取得重要進展。研究成果以題為“Colorful Triplet Excitons in Carbon Nanodots for Time Delay Lighting”的論文發表在國際材料科學知名期刊《Advanced Materials》上，論文第一作者為2020級凝聚態物理專業博士生宋世玉，通訊作者為劉凱凱副教授和單崇新教授。

磷光碳納米點(CNDs) 中的三重態激子具有高的激子利用效率以及長的發光壽命，在光電器件、信息加密、時間分辨生物成像等領域具有廣闊的應用前景。特別是于CNDs的發光二極管（LED）由于其環保性和易于調節的熒光波長受到了極大的關注。在室內照明時，延時LED可以在光源關閉后保持一定時間的亮度，用于緩解光暗環境轉換時造成的人眼短暫失明。然而，由于磷光波長調節與發光壽命的限制，關于CNDs的延時LED報道很少。CNDs中的三重態激子由于其自旋禁止躍遷和易失活特性，通常作為暗激子不發光。科學家們通過一方面引入異原子增強自旋軌道耦合打破自旋禁阻，另一方面，通過聚集、結晶、受限域交聯增強發射和矩陣約束等方式，限制CNDs的振動/轉動來抑制三重態激子的耗散通道實現高效的磷光發射。目前，關于CNDs的磷光研究取得了飛速發展。值得注意是，由于缺乏統一的指導原則，大多數報道的磷光CNDs的發光是有限的且集中在可見光區域，仍然面臨發光波長有限的難題。

研究人員率先闡明了共軛原子數目在調控三重態激子方面的微觀機制，結合第一性原理理論構建具有不同共軛尺寸的碳納米點，實現了一系列多色高效CNDs發射體。其中具有孤對電子的雜原子（N，O）引入，提高了發光體自旋軌道耦合的強度和系間竄越速率，促進電子由單重態軌道躍遷到三重態軌道來增強三重態激子的布居。另外，調整發光共軛尺寸實現了對CNDs的發光顏色調控。在此基礎上，通過原位鈉鹽限域策略，引入氰酸納基體形成了多個離子鍵和剛性網絡約束CNDs發光體的振動，減少了產生的三重態激子的能量耗散路徑，其長壽命的三重態激子得到了極大的穩定。實驗結果表明，CNDs在室溫下具有全色磷光性質，磷光波長可從300 nm調至800 nm，覆蓋整個紫外至近紅外光譜區域。最后，基于多色磷光CNDs演示了延時LED照明應用，將CNDs和木材結合，制備了功能性環保木質發光燈罩，其在關閉激發光源后仍具有較長時間的發射，為眼睛在突然黑暗的情況下提供了緩沖時間。該研究結果為紫外至近紅外多色磷光CNDs的制備提供了合理的思路，拓展里磷光CNDs在延時照明領域的應用。

該工作得到了國家自然科學基金等項目的資助。

原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202212286