《石墨烯学堂》之第十九讲

1.什么是量子点？

   量子点（QuantumDot）是由有限数目的原子构成，属于准零维材料，即在三个维度上尺寸均呈现纳米级别。外观恰似球形物或者类球形，其内部电子在各个方向的运动均会受到限制，因此量子限域效应非常明显。

   顾名思义，石墨烯量子点(Graphene Quantum Dots)一般是横向尺寸在100nm以下，纵向尺寸可以在几个纳米以下，具有一层、两层或者几层的石墨烯结构，也就是特殊的非常小的石墨烯碎片。它的特性来源于石墨烯以及碳点，表现出生物低毒性、优异的水溶性、化学惰性、稳定的光致发光、良好的表面修饰。

2.怎么制备石墨烯量子点？

   石墨烯量子点的合成可以看做是对碳纳米晶体合成方法的延伸和补充，仍旧分为：自上而下和自下而上的制备。

   自上而下的方法是指通过物理或化学方法将大尺寸的石墨烯薄片切割成小尺寸的GQDs，包括水热法、电化学法和化学剥离碳纤维法等；

 自下而上的制备法则是指以小分子作前驱体通过一系列化学反应制备GQDs，主要是溶液化学法、超声波和微波法等。

3. 石墨烯量子点发光机理

   一提起量子点很多人脑中想到的都是美美的彩虹画面，即荧光，荧光是种光致冷发光的现象，当某种常温物质经某种波长的入射光 (通常是紫外线或 x-ray) 照射，吸收光能后进入激发态，且立即退激发并发出出射光，而荧光可在吸光激发后约 10^-8秒内发光，其能量小于吸光的能量。通常，若是把材料制成量子点大小，则电子容易受到激发而改变能阶，与电洞（空穴）结合后就会放出光。

   石墨烯量子点由于边缘效应和量子尺寸效应，可表现出独特的光化学特质。石墨烯除了具有碳量子点所具有的优点外，其荧光具有激发波长依赖性。当激发波长从 310 nm 变成 380 nm 时，荧光发射峰位置的相应从 450 nm 移至 510 nm，光致发光强度迅速降低。

   一般而言，氧化石墨烯表现出宽谱的红光发射，取决于其含有的含氧官能团，而氧化石墨烯被还原之后由于含氧官能团减少以及结构的改变，主要呈现蓝光（第一性原理模拟推测其由碳空位缺陷引发）。修饰类石墨烯具有相似的规律，发光光谱主要由两部分组成：蓝光发光峰位（不移动）、长波长发光（峰位移动），相对于没有经过修饰的石墨烯，其长波长发光显著增强。由于嫁接的官能团能够提供新的激发跃迁过程，并且增强原本很弱的 sp² 碳原子簇尺寸效应的激发过程，使得相应的发光过程得到增强。比如，目前报道比较多的B、N、P、S掺杂等。

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