Hocheffiziente, erregungsunabhängige blaue Lumineszenz-Karbonpunkte

Hintergrund

Carbon Dots als fluoreszierendes Material in der Familie der Kohlenstoff-Nanomaterialien haben in den letzten Jahren zunehmende Bedenken hervorgerufen. Typischerweise hat eine CD einen Kern aus Graphit oder amorphem Kohlenstoffgerüst, dessen Oberfläche mit sauerstoffhaltigen Gruppen, Polymeren und anderen Spezies beschichtet ist [1]. Inzwischen weisen CDs, die nicht größer als 10 nm sind, einzigartige photophysikalische Eigenschaften wie hohe Photostabilität, gute Biokompatibilität, hervorragende optische Eigenschaften und geringe Umweltgefahren auf [2, 3]. Inspiriert von diesen Eigenschaften besitzen die CDs verschiedene potenzielle Anwendungen, wie z. B. Wirkstoffabgabe [4], fluoreszierende Tinte [5], Sensoren [6, 7], Optoelektronik [8], Photokatalyse [9, 10] und lichtemittierende Bauelemente [5, 11,12,13]. Bisher wurden verschiedene Synthesemethoden zur Herstellung von CDs entwickelt, wie die elektrochemische Oxidation von Graphit [9], die hydrothermale Methode [5, 10] und die mikrowellenunterstützte Synthese [14, 15].

Eine besondere Eigenschaft von CDs ist die Abhängigkeit des Emissionspeaks von der Anregungswellenlänge. Bei unterschiedlichen Anregungswellenlängen weisen CDs unterschiedliche Photolumineszenz(PL)-Peaks von Violett bis Rot auf [10]. Es wurden viele mögliche Gründe zur Erklärung dieses Phänomens berichtet, wie Größe [9, 11], Elementdotierung [10, 14], Lösungsmittelpolarität [16], Defekte, Oberflächenzustände [17], Oberflächengruppen [18, 19] oder Oberflächenpassivierung [20]. Die erregungsunabhängige Eigenschaft von CDs wird jedoch selten beobachtet.

Interessanterweise haben wir festgestellt, dass beim Verdünnen der CD-Lösung mit entionisiertem Wasser die Blauverschiebung des maximalen Emissionspeaks von 480 auf 440 nm beobachtet wurde. Auch die Emissionsintensität von CDs wurde mit abnehmender Konzentration stärker. Die PL-Spektren zeigten bei Variation der Anregungswellenlänge einen unveränderlichen Emissionspeak bei 443 nm, was sich stark von den vorherigen Berichten unterscheidet. Die hohe Polarität von Nanoclustern und das sp ² -Kohlenstoffnetzwerke können für diese Phänomene verantwortlich sein.

Methoden

Reagenzien und Chemikalien

Critric Acid Monohydrat (99,5%) wurde von SCR (Shanghai, China) benötigt und Ethylendiamin wurde von Tianzheng Reagens (Tianjin China) erhalten. Entionisiertes Wasser wurde aus einem Wasserreinigungssystem mit einem spezifischen Widerstand von 18,25 m Ω cm (Sichuan, China) erhalten. Alle Chemikalien wurden wie erhalten ohne weitere Reinigung oder Behandlung verwendet.

Vorbereitung von Carbon Dots

CDs wurden wie folgt hergestellt:Zitronensäure (1,0507 g) und Ethylendiamin (335 μL) wurden in entionisiertes Wasser (10 ml) gegeben. Dann wurde die gut gerührte Lösung in einen mit Teflon ausgekleideten Autoklaven überführt. Die Lösung wurde 5 h auf 150 °C erhitzt. Nach der Reaktion wurden die Reaktoren natürlich auf Raumtemperatur abgekühlt. Die Farbe der hergestellten CD-Lösung war gelblich. Vor der Charakterisierung wurde die CD-Lösung mit den folgenden Methoden behandelt:1 ml ursprüngliche CD-Lösung wurde genommen und dann mit 5–400 ml entionisiertem Wasser verdünnt. Die Farbe der CD-Lösung änderte sich nach der Verdünnung von gelb nach farblos.

Charakterisierung

Die Photolumineszenz wurde mit einem Hitachi F4500-Fluoreszenzspektrophotometer und einem konfokalen Raman-Mikroskop mit einem 325-nm-He-Cd-Laser durchgeführt. Die Absorptionsspektren wurden mit einem Shi-madzu UV-3101PC-Spektrometer gesammelt. Das Fourier-transformierte Infrarot (FTIR) wurde mit einem Brucker VERTEX-Spektrometer aufgezeichnet; Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) Bilder wurden auf einem FEI Tecnai G2 20S-twin aufgenommen. Die dynamische Lichtstreuungsstudie (DLS) wurde mit einem Malvern Zetasizer Nano ZS durchgeführt. Röntgenbeugungsmuster (XRD) wurden mit einem Bruker D8-System gesammelt. Das Fluoreszenz-Abklingprofil wurde unter Verwendung eines Edinburgh FLS920-Fluoreszenzspektrometers untersucht. Raman-Spektren wurden auf LabRAM HR Evolution (Horiba) mit einer Laseranregung bei 532 nm durchgeführt. Die Röntgen-Photoelektronenspektroskopie-(XPS)-Analyse wurde mit der PHI 5000 Versa Probe (ULVAC-PHI, Japan) gemessen. Rasterkraftmikroskopische (AFM) Messungen wurden mit dem MultiMode Rastersondenmikroskop (MM-SPM) durchgeführt.

Ergebnisse und Diskussion

Die Bildung von CDs wird durch Transmissionselektronenmikroskopie, Röntgenbeugung (XRD) und Raman-Spektroskopie-Messungen bestätigt. Wie in Abb. 1a gezeigt, werden kugelförmige Kohlenstoffnanopartikel mit einem durchschnittlichen Durchmesser von etwa 3,6 nm erhalten. Der Einschub zeigt die Verteilung der Partikelgrößen zwischen 2,5 und 5 nm. Abbildung 1b zeigt, dass die CDs kristallisierte innere Kerne mit einem Gitterabstand von 0,295 nm aufweisen, was der (002)-Ebene von graphitischem Kohlenstoff entspricht [4, 9, 14]. Erkennbare Gitterstrukturen von CDs in den TEM-Bildern weisen darauf hin, dass die resultierenden Nanopartikel die inneren Kerne von Graphit aufweisen. Das XRD-Beugungsmuster der CDs zeigt einen breiten Peak bei 20,24° (Zusatzdatei 1:Abbildung S1), nahe dem (002)-Schichtabstand einer graphitischen Struktur [5, 21]. Das G-Band bei 1598 cm ⁻¹ und D-Band bei 1350 cm ⁻¹ von CDs waren in den Raman-Spektren nicht offensichtlich (Zusatzdatei 1:Abbildung S2). Die Raman-Charakterisierung könnte durch die starke Fluoreszenz von CDs gestört werden. Das Fehlen der beiden Peaks beweist außerdem, dass die CDs aus einem nanokristallinen graphitartigen Kern und ungeordnetem sp ³ . bestehen -Kohlenstoff [21].

TEM- und HRTEM-Bilder von wie vorbereiteten CDs. a Das Transmissionselektronenmikroskopie-(TEM-)Bild von vorbereiteten CDs (Einschübe mit Partikelgrößenverteilung). b Das hochauflösende TEM-Bild einer repräsentativen CD, das den inneren Kern aus kristallisiertem Graphit zeigt

Wie in Abb. 2a gezeigt, ist die Farbe der wässrigen CD-Lösung wie hergestellt gelblich (links), die bei Anregung mit 365 nm UV-Licht (rechts) die leuchtend blaue Lumineszenz zeigt. Im Absorptionsspektrum der CD-Lösung wird der Absorptionspeak bei 243 nm auf \( \pi \)→\( \pi \) ^* . zurückgeführt von C=C, und der Absorptionspeak bei 345 nm entspricht n→\( \pi \) ^* Übergang der C=O-Bindung (Abb. 2a) [14]. Das Fourier-Transform-Infrarotspektroskopie-(FTIR)-Spektrum (Abb. 2b) der CDs deutet auf das Vorhandensein zahlreicher sauerstoffhaltiger Gruppen auf ihren Oberflächen hin. Wie in Abb. 2b dargestellt, sind die Peaks bei 1120 cm ^–1 kann den asymmetrischen und symmetrischen Streckschwingungen von C–O–C zugeschrieben werden. Der Peak bei 1445 und 1464 cm ⁻¹ werden der C–H-Biegeschwingung zugeordnet; die Spitzen bei 1488 cm ⁻¹ weisen auf die Existenz von N-H-Biegeschwingungen hin; der Peak bei 1689 cm ⁻¹ wird der C=O-Streckschwingung zugeschrieben; die Spitzen bei 2935 cm ⁻¹ entstehen durch C‐H‐Streckschwingungen von Methyl/Methylen; und das breite Band zentriert bei 3100–3500 cm ⁻¹ werden O–H- und N–H-Streckschwingungen zugeordnet [5, 10, 14]. Die Ergebnisse der FTIR-Analyse bestätigten das Vorhandensein sauerstoffhaltiger Gruppen auf der Oberfläche der so hergestellten CDs, wie C = O und –OH. Die XPS-Umfragen unterstützten die FTIR-Analysen zusätzlich. Wie in der Zusatzdatei 1:Abbildung S3 gezeigt, bestehen die CDs hauptsächlich aus Kohlenstoff-, Sauerstoff- und Stickstoffelementen. Das hochauflösende XPS-Spektrum von C 1s zeigt drei Peaks bei 284,56, 285,66 und 287,7 eV, die das Vorhandensein von C=C/C–C, C–O und C=O anzeigen. Das hochauflösende Spektrum von N1s deutete auf das Vorhandensein von Pyrrol-ähnlichem N (399,7 eV) und graphitähnlichem/Amino-N (400,7 eV) hin. Die beiden Peaks des hochauflösenden Spektrums von O 1s bei 531,55 und 532,31 eV werden C=O- und C-OH/C-O-C-Bindungen zugeschrieben [21,22,23,24]. Die Ergebnisse der XPS-Analyse stimmen gut mit dem FTIR-Spektrum überein. Durch die Kombination all dieser Charakterisierungsdaten wurde angenommen, dass die CDs aus einem nanoskaligen graphitartigen Kern und sauerstoffhaltigen Gruppen auf der Oberfläche des Kerns bestehen.

UV-Vis-Absorptionsspektrum und FTIR-Spektrum von CDs wie vorbereitet. a Das UV-Vis-Absorptionsspektrum von CDs. Der Einschub Fotos zeigen die vorbereiteten CDs unter natürlichem Licht (links ) und unter 365 nm-Bestrahlung (rechts ). b Das FTIR-Spektrum der CDs

Die Emissionsspektren von CDs, die mit 5 ml entionisiertem Wasser verdünnt wurden, zeigen ein typisches anregungsabhängiges Merkmal. Der PL-Peak verschiebt sich mit zunehmender Anregungswellenlänge zu längeren Wellenlängen (Abb. 3a; die Anregungswellenlängen nehmen von 330 auf 480 nm allmählich zu und die Emissionsintensität von 330–390 nm wird mit 25 multipliziert), was gut mit anderen Berichten übereinstimmt [1, 5, 14]. Die CDs haben eine maximale Emissionsintensität bei 481 nm bei einer Anregung von 420 nm. Verwendung von Chininbisulfat (QY 0,56 in 0,1 M H₂ SO₄ ) als Referenz beträgt die Quantenausbeute der CDs 74,8%. Die hohe Quantenausbeute soll der Molekülzustand von CDs sein [5]. Darüber hinaus sind sowohl die Emissionswellenlänge als auch die PL-Intensität der erhaltenen CDs empfindlich gegenüber dem Volumen des hinzugefügten Wassers; mit anderen Worten, sie reagieren empfindlich auf die Konzentration der CD-Lösung (Abb. 3b–d). Dieses Ergebnis unterscheidet sich von den mit anderen Methoden synthetisierten CDs, die nur eine geringfügige Verschiebung des Emissionspeaks mit der Variation des pH-Wertes zeigten [25]. Durch Zugabe von mehr entionisiertem Wasser (10, 25, 50, 100, 200, 300 und 400 ml) zu 1 ml der hergestellten CD-Lösung werden die Blauverschiebungen der Emissionspeaks von 480 auf 440 nm beobachtet (Zusatzdatei 1 :Abbildung S4), während die entsprechenden Absorptionsspektren der CD-Lösung unverändert sind (Zusatzdatei 1:Abbildung S5). Die Intensität der Emissionspeaks im Bereich von 330 bis 400 nm wird allmählich verstärkt, während die Emissionspeaks im Bereich von 420 bis 480 nm allmählich verschwinden (Zusatzdatei 1:Abbildung S4). Diese Blauverschiebung war in den normalisierten PL-Spektren in Abb. 3b deutlich zu sehen, wenn die CDs mit unterschiedlichen Konzentrationen mit der gleichen Wellenlänge von 330 nm angeregt werden. In Fig. 3b, c tritt die Änderung der Emissionswellenlänge hauptsächlich auf, wenn das Volumen des hinzugefügten entionisierten Wassers weniger als 25 ml beträgt, was zwischen 505 und 450 nm variiert. Bei weiterer Verdünnung ändert sich die Emissionswellenlänge recht klein. In Abb. 3c nimmt die PL-Intensität des Emissionspeaks mit abnehmender Konzentration der CDs kontinuierlich zu. Diese Intensitätssteigerung kann von der Verringerung der Kollisionslöschung und der Selbstabsorptionslöschung in hochkonzentrierten Lösungen profitieren [5, 26].

PL-Spektren von CDs in unterschiedlichem Volumen an entionisiertem Wasser. a PL-Spektren von 1 ml CDs wie vorbereitet mit 5 ml entionisiertem Wasser (pH 10,41). b Normalisierte Fluoreszenzemissionsspektren von CDs in verschiedenen Wassermengen mit der Anregungswellenlänge von 330 nm. c Die maximale PL-Intensität und der Emissionspeak als Funktion der unterschiedlichen Wasserzugabemengen. d Emissionsspektren des Verdünnens von 1 ml der vorbereiteten CDs-Lösung mit 300 ml entionisiertem Wasser

Nach Verdünnung mit 300 ml entionisiertem Wasser zeigen die PL-Spektren einen Einzelemissionspeak bei 443 nm, der bei Variation der Anregungswellenlänge unveränderlich ist (Abb. 3d; die Anregungswellenlängen steigen von 330 bis 410 nm progressiv an). Die höchste Emissionsintensität wird unter der Anregungswellenlänge von 390 nm erhalten. Auch bei Verdünnung mit mehr Wasservolumen (Zusatzdatei 1:Abbildung S4) verschieben sich die Emissionsspektren nicht.

Bei Zugabe unterschiedlicher Volumina an entionisiertem Wasser zu hergestellten CD-Lösungen ändert sich der pH-Wert der Lösung. Die von uns beobachteten Phänomene könnten durch die unterschiedlichen pH-Werte verursacht werden. Um zu überprüfen, ob der pH-Wert die Hauptursache für die Phänomene ist, wurden die CD-Lösungen unterschiedlicher pH-Werte detailliert analysiert. Der pH-Wert der mit 5 ml entionisiertem Wasser verdünnten CD-Lösung beträgt 10,41. Beim Verdünnen der so hergestellten CD-Lösung mit 300 ml entionisiertem Wasser ändert sich der pH-Wert auf 10,2. Dann haben wir den pH-Wert der 300 ml verdünnten CD-Lösung durch Zugabe von NaOH von 10,2 auf 10,41 eingestellt. Abbildung 4a zeigt die PL-Spektren der CD-Lösung nach Einstellung des pH-Werts auf 10,41 (die Anregungswellenlängen steigen von 330 auf 410 nm progressiv an). Aus den beiden Abbildungen (Abb. 3d und 4a) konnten wir offensichtlich erkennen, dass selbst bei einer pH-Wert-Einstellung von 10,2 auf 10,41 die PL-Peakposition und -Intensität nahezu unveränderlich sind. Dann haben wir die pH-Werte der CD-Lösung mit 5 ml entionisiertem Wasser und der Lösung mit 300 ml entionisiertem Wasser durch Zugabe von NaOH auf den gleichen Wert von 12,08 eingestellt (in Abb. 4b steigen die Anregungswellenlängen von 330 auf 480 nm allmählich an). , die Emissionsintensität von 330–380 nm wird mit 15 multipliziert und die Emissionsintensität von 390 nm wird mit 6 multipliziert. In Fig. 4c nehmen die Anregungswellenlängen von 330 auf 410 nm progressiv zu; im Vergleich zu Abb. 3a,d haben sich auch die Positionen und Intensitäten der PL-Emissionen nicht verändert. Die obigen Ergebnisse zeigen, dass der pH-Wert nicht der Grund für den unveränderten Emissionspeak in unserem Experiment ist. Daraus kann geschlossen werden, dass die Konzentration der Schlüsselpunkt ist, um die Emissionswellenlänge einzustellen und den Emissionspeak zu fixieren. Unseres Wissens ist dies der erste Bericht, der zeigt, dass die Emissionswellenlänge und die PL-Intensität von CDs leicht durch Einstellen der Konzentration der CD-Lösung mit entionisiertem Wasser eingestellt werden können.

Emissions- und Anregungsspektren von CDs in verschiedenen Wassermengen und pH-Werten. a Emissionsspektren von CDs mit 300 ml entionisiertem Wasser (pH 10,41). b Emissionsspektren von CDs mit 5 ml entionisiertem Wasser (pH 12,08). c Emissionsspektren von CDs mit 300 ml entionisiertem Wasser (pH 12,08). d Anregungsspektren von CDs bei 445 nm in unterschiedlichem Wasservolumen

Um einen Einblick in die anregungsunabhängigen Eigenschaften der CDs zu geben, haben wir die Anregungsspektren verschiedener Emissionswellenlängen gemessen und in Zusatzdatei 1:Abbildung S6 dargestellt. Für CD-Lösung mit hoher Konzentration (1 ml Lösung wie zubereitet, verdünnt mit 25 ml entionisiertem Wasser) gibt es zwei starke Anregungspeaks, die separat bei 290 und 400 nm lokalisiert sind. Wenn die Konzentration von hoch zu niedrig abnimmt, wird der Anregungspeak bei 290 nm schwach und der Peak bei 400 nm wird verstärkt und verschiebt sich blau auf 370 nm (Abb. 4d). Die Eigenschaften der Anregungsspektren bei unterschiedlichen Konzentrationen zeigen, dass die Lumineszenz der CDs mehrere Zentren aufweisen kann. Um einen weiteren Beweis zu führen, wurde die Fluoreszenzlebensdauer von CDs (1 ml vorbereitete Lösung verdünnt mit 25 ml entionisiertem Wasser) mit der Anregungswellenlänge in 280 nm und der Emissionswellenlänge in 447 nm gemessen (Zusatzdatei 1:Abbildung S7). Die durchschnittliche Lebensdauer beträgt 11,85 ns, und die Zerfallskurve kann durch eine Doppelexponentialfunktion mit Lebensdauern von 5,11 ns (35,08 %) und 13,28 ns (64,92 %) angepasst werden. Die mehrfache Lebensdauer der Probe könnte auf die verschiedenen Fluorophore oder Energieniveaus zurückzuführen sein, die auf den Oberflächen der Proben vorhanden sind [18].

Einige Studien an CDs zeigten die Existenz von kleinen Partikeln sowie Partikelaggregaten, selbst wenn eine verdünnte Lösung verwendet wurde [27]. Eine ähnliche Art der Aggregation wird auch von Iijima [28] beobachtet, bei der kleine Kohlenstoffpartikel zu 80 nm großen Nanohornstrukturen aggregieren. Die kleinen Teilchen werden durch Van-der-Waals-Kräfte angezogen. Wir haben die Partikelgrößen von CDs mit unterschiedlichen Volumina an entionisiertem Wasser durch die Messung der dynamischen Lichtstreuung (DLS) geschätzt (Zusatzdatei 1:Abbildung S8), und das Ergebnis zeigt, dass die hydrodynamischen Durchmesser von CDs unterschiedlich sind, die von 34 bis . reichen 15 nm. In der vorbereiteten CD-Lösung (hohe Konzentration) beträgt der durchschnittliche Durchmesser 34 nm. Nach Verdünnung mit 100 ml entionisiertem Wasser zeigen die CDs einen durchschnittlichen Durchmesser von 15 nm. Die durchschnittlichen Größen der CDs in wässriger Lösung zeigen mit abnehmender Konzentration einen abnehmenden Trend (Zusatzdatei 1:Abbildung S8). Daraus kann geschlossen werden, dass bei hoher Konzentration mehrere einzelne CDs zu nanoskaligen Clustern aggregiert haben, was zu einer Zunahme des durchschnittlichen Durchmessers führt. Die einzelnen CDs und Nanocluster sind in der Lösung gleichzeitig vorhanden. Bei niedriger Konzentration wurden die nanoskaligen Cluster in einzelne CDs getrennt. Die durchschnittliche Größe der durch DLS-Messung getesteten CDs ist größer als die der TEM-Ergebnisse (4–6 nm), was hauptsächlich daran liegt, dass der DLS den gesamten hydrodynamischen Durchmesser berücksichtigt, der sowohl Partikel als auch absorbierte Moleküle und Ionen umfasst [27]. Die Rasterkraftmikroskopie (AFM) von CDs mit unterschiedlichem Wasservolumen wurde gemessen. Wie in Zusätzliche Datei 1:Abbildung S9 gezeigt, zeigt das Bild bei hoher Konzentration, dass die einzelnen CDs zu nanoskaligen Clustern aggregiert haben und der durchschnittliche Durchmesser 40 nm beträgt; Wenn die Konzentration von hoch auf niedrig abnimmt, trennten sich die nanoskaligen Cluster allmählich in einzelne CDs, und der gemessene Durchmesser beträgt etwa 10 nm, was kleiner als 40 nm ist, was in guter Übereinstimmung mit dem Ergebnis von DLS ist.

Die Bildung von CDs aus organischen Materialien in wässrigen Medien hat einen gemeinsamen Standpunkt, dass die CDs aus nanokristallinen Kernen von sp ² . bestehen -hybridisierte zweidimensionale Graphen-Typ-Inseln [10, 29] unterbrochen durch sp ³ -hybridisierte diamantartige Einschlüsse [27, 29]. Bei der Bildung von Nanopartikeln werden die von Ausgangsmaterialien abgeleiteten polaren Gruppen an die Oberfläche von CDs gebunden, wodurch die Partikel in Wasser löslich werden. Dieser Standpunkt wurde durch die Raman-Spektren der aus verschiedenen Ausgangsmaterialien erhaltenen CDs bestätigt [27, 30], die die Anwesenheit von sp ² . zeigten - und sp ³ -hybridisierte Strukturen in ähnlichen Proportionen. Inzwischen enthalten alle untersuchten wasserlöslichen CDs, die durch thermische Behandlung organischer Materialien erhalten wurden, Sauerstoffelemente in Form von Hydroxylen, Carboxylen und Carbonylen [16]. Von besonderer Bedeutung für die Emission von CDs sind die polaren Gruppen auf der Partikeloberfläche [16, 18, 31].

Aus dem obigen Experiment können wir schließen, dass es in CD-Lösung zwei verschiedene emittierende Spezies gibt. Die intrinsische Lumineszenz von sp ² -Kohlenstoffnetzwerke und die hohe Polarität nanoskaliger Cluster könnten zu dem unterschiedlichen Emissionsphänomen beitragen (Abb. 5). Die einzelne CD verhält sich aufgrund ihrer polaren Oberflächengruppen wie –CO und –OH [15, 18, 31] wie ein elektrischer Dipol [32] (Abb. 2b). Die sauerstoffhaltigen Gruppen auf der Oberfläche der CDs können für den längerwelligen Anteil der Fluoreszenzemission verantwortlich sein [19]. Wenn bei hoher Konzentration eine Reihe von CDs durch Van-der-Waals-Kräfte [28] zu Nanoclustern aggregiert werden, kommt eine große Anzahl von –CO und –OH zusammen, was zu einer höheren Polarität auf den Oberflächen der Nanocluster führt [15 ]. Die hohe Polarität der nanoskaligen Cluster bewirkt, dass die Eigenschaften anregungsabhängig sind [15, 19, 31]. Der hohe Oxidationsgrad und die höhere Polarität der Nanocluster führen zu einer schnellen Elektronenrelaxation von angeregten Zuständen in Unterzustände, was einer längeren Wellenlänge entspricht. Dann tragen die Unterzustände zur Photoemission bei, die schließlich zu einer längerwelligen Emission führt [15]. Somit trat das erregungsabhängige Phänomen im längerwelligen Bereich bei hoher Konzentration auf. Nach Zugabe von entionisiertem Wasser zu der so hergestellten CD-Lösung nahm die Konzentration der Lösung allmählich ab. Dann werden CDs, die Nanocluster gebildet haben, getrennt und in einzelne CDs redispergiert, was zur Schwächung der Polarität und zum Verschwinden von Emissionsspektren bei längeren Wellenlängen führt. Darüber hinaus führt die Trennung der Cluster auch zum Verschwinden des Anregungspeaks bei 290 nm (Abb. 4d). Verglichen mit der Emission der polaren Gruppen (–CO und –OH) auf der Oberfläche einzelner CDs ist die intrinsische Lumineszenz von sp ² -Kohlenstoffnetzwerke spielen eine dominierende Rolle bei der Abnahme der CD-Konzentration. Bei niedriger Konzentration ist das Fluoreszenzspektrum einzelner CDs mit nur intrinsischer Lumineszenz asymmetrisch und zum höheren Energiebereich (kurze Wellenlänge) verbreitert, was die anregungsunabhängige Fluoreszenz zeigt, wie in Abb. 4a gezeigt [15, 33].

Die Skizze von CDs bei hoher und niedriger Konzentration. Links :bei hoher Konzentration bildeten eine Anzahl einzelner CD nanoskalige Cluster; richtig :bei niedriger Konzentration trennten sich die nanoskaligen Cluster in einzelne CDs

Schlussfolgerungen

Zusammenfassend haben wir die CDs durch hydrothermale Verfahren synthetisiert. Bezeichnenderweise zeigten die CDs wie hergestellt eine ausgezeichnete wässrige Dispergierbarkeit und einzigartige PL-Eigenschaften wie Konzentrationsempfindlichkeit und anregungsunabhängige Emissionswellenlänge. Blauverschiebungen der maximalen Emissionswellenlänge von 480 bis 443 nm wurden beobachtet, wenn die Konzentration der CDs von hoch auf niedrig abnahm. Die PL-Spektren bei niedriger Konzentration von CDs zeigten ein anregungsunabhängiges Verhalten mit dem Emissionspeak bei 440 nm, das sich stark von den vorherigen Berichten unterscheidet. Daraus lässt sich schließen, dass es zwei unterschiedliche Emissionsmechanismen gibt. Die intrinsische Lumineszenz von sp ² -Kohlenstoffnetzwerke waren für die Emission bei kurzen Wellenlängen (anregungsunabhängig) bei niedriger Konzentration verantwortlich, und die hohe Polarität von Nanoclustern führte bei hoher Konzentration zu der anregungsabhängigen Eigenschaft des längerwelligen Teils. Die günstigen photophysikalischen Eigenschaften und das konzentrationsabhängige Verhalten der CDs werden eine Möglichkeit zur Abstimmung der Emissionswellenlänge und neue Einblicke in CDs sowohl aus experimenteller als auch aus mechanistischer Sicht bieten, was in naher Zukunft vielfältige potenzielle Anwendungen von CDs fördern wird.

Abkürzungen

AFM:

Rasterkraftmikroskopie

CDs:

Karbonpunkte

DLS:

Dynamische Lichtstreuung

FTIR:

Fourier-transformiertes Infrarot

PL:

Photolumineszenz

TEM:

Transmissionselektronenmikroskopie

XPS:

Röntgenphotoelektronenspektroskopie

XRD:

Röntgenbeugung