劉春雷，周小龍，張 軍，王喜娜

(湖北大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院，湖北 武漢 430062)

?

含碳酸鹽的碳點制備及其光致發(fā)光性能

劉春雷，周小龍，張 軍，王喜娜

(湖北大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院，湖北 武漢 430062)

通過一步水熱法合成了碳酸鈉/碳點和碳酸鉀/碳點兩種混合材料。X射線衍射儀對兩種樣品結(jié)構(gòu)對其表征發(fā)現(xiàn)具有碳酸鈉和碳酸鉀結(jié)構(gòu)。通過325 nm激發(fā)光激發(fā)樣品得到白色發(fā)射光。通過增加激發(fā)波長光激發(fā)樣品發(fā)現(xiàn)樣品發(fā)射光強度先增加然后發(fā)生紅移，這種現(xiàn)象可以通過缺陷發(fā)光來解釋。這項工作表明，表面狀態(tài)的存在在探索發(fā)光碳納米材料的功能發(fā)揮了重要的作用。這種樣品可以用來實現(xiàn)白發(fā)光二極管。

碳酸鈉/碳點；碳酸鉀/碳點；光致發(fā)光；白光LED

近年來，白光LED受到越來越多研究者的青睞[1-3]。Gao等[4]制備了Sb摻雜的P型ZnO納米線陣列與N型GaN薄膜復(fù)合得到白光LED器件，尋找性能優(yōu)越的白光LED的發(fā)光材料已經(jīng)成為主流。由于具有高發(fā)光效率和發(fā)光波長可調(diào)等優(yōu)點，碳量子點已經(jīng)被很多課題組關(guān)注[5-6]。例如，Zeng等制備了碳量子點和碳納米環(huán)量子點[7-8]，其碳量子點在325 nm激發(fā)波長下具有較好的白光發(fā)光特性。然而，在325 nm激發(fā)波長激發(fā)樣品的情況下大多數(shù)的發(fā)光光譜比較窄(450～650 nm左右)[8-10]。為了提高發(fā)光范圍，本文通過一步水熱法制備了碳酸鈉/碳點和碳酸鉀/碳點兩種混合材料，利用325 nm激光作為激發(fā)光源，獲得了較強的白光發(fā)光，發(fā)光光譜從350 nm到650 nm，實現(xiàn)了寬光譜激發(fā)光。結(jié)果表明，作為一種新穎的白光LED材料，該碳點-碳酸鹽復(fù)合納米材料在寬帶白光發(fā)光方面具有較大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

1 實 驗

1.1 樣品的合成

碳酸鈉和碳點：將1 g聚乙烯醇(PVA)與1 g氫氧化鈉混合后溶解在25 mL去離子水中。將所得溶液裝在反應(yīng)釜中，生長溫度為250 ℃，反應(yīng)時間為：6、8、10 h，分別得到三種生成物。將生成物過濾后所得的溶液烘干，得到黃褐色粉末狀碳酸鈉和碳點混合物(樣品1)。

碳酸鉀和碳點：將1 g PVA與1 g氫氧化鉀按照同樣實驗方法得到黃褐色粉末狀碳酸鈉和碳點混合物(樣品2)。

1.2 樣品的表征

采用日本電子生產(chǎn)的JSM-7100F場發(fā)射掃描電子顯微鏡(SEM)表征樣品表面形貌。采用日本島津公司生產(chǎn)的UV-3600型紫外-可見-近紅外分光光度計表征樣品的光學(xué)吸收譜。采用德國布魯克公司生產(chǎn)的D8A25X射線衍射儀分析樣品結(jié)構(gòu)。采用HORIBA公司的HR800光譜儀得到光致發(fā)光光譜。采用LS55pE公司生產(chǎn)的熒光光譜儀得到變激發(fā)波長的熒光光譜。

2 結(jié)果與討論

圖1(a)、(b)和(c)分別為水熱法6 h、8 h和10 h生長樣品1的SEM圖片。隨著生長時間增加，樣品實現(xiàn)了從片狀到顆粒物的形成。為了探究兩種樣品的結(jié)晶性能，我們對兩種樣品進(jìn)行了XRD分析，從圖2中我們發(fā)現(xiàn)兩種樣品分別為碳酸鈉(JCPDS NO.49-1093)和碳酸鉀(JCPDS NO.19-1130)。沒有明顯的碳點的衍射峰，說明表面碳顆粒的結(jié)晶性較差。圖3(a)和(b)分別為樣品1和樣品2的C 1S XPS圖片。從圖3中我們可以看出兩種樣品均含有C-C鍵和C-O鍵，且C元素不存在其他的化學(xué)態(tài)。其中C-C鍵表明兩種樣品存在C碳單質(zhì)，C-O鍵為碳酸鈉或碳酸鉀。

圖1 不同生長時間的樣品1的SEM圖

圖2 樣品1和樣品2的XRD圖

圖3 樣品1(a)和樣品2(b)的C 1S XPS圖

為了探究兩種樣品的發(fā)光性能，我們對兩種樣品進(jìn)行了光致發(fā)光性能測試。圖4(a)和(b)分別為樣品1和樣品2的光致發(fā)光圖，其中插圖為樣品在測試時的發(fā)光狀態(tài)。從圖4中可以看出，當(dāng)用波長為325 nm激發(fā)光激發(fā)兩種樣品時，樣品的發(fā)光光譜從350 nm到650 nm，形成了比較寬的發(fā)射光譜。兩種樣品的光致發(fā)光譜均在425 nm和527 nm左右出現(xiàn)發(fā)光峰。527 nm處的發(fā)光峰是樣品的本征激發(fā)。在425 nm處比已經(jīng)報道的碳量子點得到的光致發(fā)光光譜多了一個發(fā)光峰[8]，出現(xiàn)此峰的原因尚不明確。得到的結(jié)果比已經(jīng)報道的單純碳量子點的光致發(fā)光光譜寬。插圖中可以看出，兩種樣品受激后均實現(xiàn)了白光發(fā)光。

圖4 樣品1(a)和樣品2(b)的光致發(fā)光圖插圖為樣品受激時的發(fā)光照片

圖5 生長時間為6的樣品1和樣品2的熒光光譜

圖5(a)、(b)分別為生長時間為6 h得到樣品1和樣品2的變激發(fā)波長熒光光譜圖。從圖5中可以看出，隨著激發(fā)波長從320 nm增加到400 nm時，發(fā)射光強度逐漸增加。繼續(xù)增加激發(fā)光波長后，發(fā)射光發(fā)生紅移后發(fā)光光譜變窄。發(fā)光光譜紅移表明在樣品中存在羥基或者羧基官能團(tuán)，這個結(jié)果符合XPS測試結(jié)果。作為一種電子受主，官能團(tuán)能減小LUMO-HOMO帶隙寬度，導(dǎo)致發(fā)光光譜紅移。這種發(fā)光機(jī)制可能是由于在短激發(fā)波長激發(fā)樣品時，由于激發(fā)光能量比較大電子從LUMO底部躍遷到HOMO頂部實現(xiàn)本征發(fā)射。在碳點上，大量的表面態(tài)會在禁帶中引進(jìn)許多雜質(zhì)能級，不同的躍遷模式在不同的激發(fā)下占主導(dǎo)地位導(dǎo)致。通常情況下，在不同的激發(fā)波長激發(fā)樣品的時候發(fā)射光的波長會不同，只是由于在樣品表面引進(jìn)很多的表面官能團(tuán)。顯然，如果表面是純凈的，那么在能帶中的雜質(zhì)能級會很少導(dǎo)致發(fā)光光譜比較窄。因此在長激發(fā)波長激發(fā)時，激發(fā)光能量較小實現(xiàn)缺陷發(fā)射[11]，符合LUMO-HOMO發(fā)光機(jī)制[8]。

3 結(jié) 論

本文通過一步水熱法合成碳酸鈉/碳點和碳酸鉀/碳點兩種混合材料。XPS分析發(fā)現(xiàn)兩種樣品都存在C-O鍵和C-C鍵。在325 nm激發(fā)波長下對兩種樣品進(jìn)行激發(fā)得到從350 nm到650 nm發(fā)光光譜。增加激發(fā)光波長，樣品的發(fā)射光強度先增加然后發(fā)生紅移。這兩種樣品均可用來制作白光LED。

[1] S Reineke, F Lindner, G Schwartz, et al. White organic light-emitting diodes with fluorescent tube efficiency[J]. Nature, 2009, 459: 234-238.

[2] Y Sun, N C Giebink， H Kanno， et al. Management of singlet and triplet excitons for efficient white organic light-emitting devices[J]. Nature, 2006, 440: 908-912.

[3] D I Son, B W Kwon, D H Park, et al. Emissive ZnO-graphene quantum dots for white-light-emitting diodes[J]. Nature nanotechnology, 2012, 7: 465-471.

[4] X L Ren, X H Zhang, N S Liu, et al. White Light-Emitting Diode From Sb-Doped p-ZnO Nanowire Arrays/n-GaN Film. Adv. Funct. Mater, 2015, 25: 2182-2188.

[5] Y X Yang, Y Zheng, W R Cao, et al. High-efficiency light-emitting devices based on quantum dots with tailored nanostructures[J]. Nat. Photonics, 2015, 9: 259-266.

[6] H B Shen, W R Cao, N T Shewmon, et al. High-efficiency, low turn-on voltage blue-violet quantum-dot-based light-emitting diodes[J]. Nano Lett. 2015, 15: 1211-1216.

[7] X M Li, S L Zhang, Sergei A Kulinich, et al. Engineering surface states of carbon dots to achieve controllable luminescence for solid-luminescent composites and sensitive Be2+detection[J]. Sci. Rep, 2014, 4: 4976-4983.

[8] X M Li, Y L Liu, X F Song, et al. Intercrossed Carbon Nanorings with Pure Surface States as Low-Cost and Environment-Friendly Phosphors for White-Light-Emitting Diodes[J]. Angew. Chem. Int. Ed, 2014, 53: 1-7.

[9] F Wang, Y H Chen, C Y Liu, et al. White light-emitting devices based on carbon dots’ electroluminescence[J]. Chem. Commun, 2011, 47: 3502-3504.

[10]C M Luk, L B Tang, W F Zhang, et al. An efficient and stable fluorescent graphenequantum dot-agar composite as a converting material in white light emitting diodes[J]. J. Mater. Chem, 2012, 22: 22378-22381.

[11]Y P Sun, B Zhou, Y Lin, et al. Quantum-sized carbon dots for bright and colorful photoluminescence[J]. J. Am. Chem. Soc, 2006, 128: 7756-7757.

Synthesis and Photoluminescence Property of C Dots Decorated by Carbonates

LIUChun-lei,ZHOUXiao-long,ZHANGJun,WANGXi-na

(Faculty of Physics and Electronic Technology, Hubei University, Hubei Wuhan 430062, China)

Na2CO3/carbon dots and K2CO3/carbon were synthesized via one-step hydrothermal method. The X-ray diffraction (XRD) pattern that two nanomaterials Na2CO3and K2CO3structure. The PL spectra of the two nanomaterials show white light emission under the excitation wavelength of 325 nm. The intensity of the emitted light first then red shifts by increase excitation wavelength. This phenomenon can be explained by the defect luminescence. This work that the presence of surface states an important role in exploring functions of luminescent carbon nanomaterials.These two nanomaterials can be used to realize a white LED.

Na2CO3/carbon dots; K2CO3/carbon dots; photoluminescence; LED

劉春雷(1990-)，男，實驗員，主要從事納米材料發(fā)光性能研究。

王喜娜，教授。

O61

A

1001-9677(2016)023-0079-03