炭素量子ドットのエッジでのグループ修飾が蛍光発光に及ぼす影響

背景

カーボンクォンタムドット（CQD）は、優れた蛍光特性[2]と、独自の化学的、電子的、および光学的特性[3]を備えた新しいナノ材料[1]です。従来の色素分子や半導体ベースの量子ドットとは対照的に、CQDは優れた耐光性とシンチレーション光漂白耐性[4]だけでなく、低毒性、生体適合性、低コスト、高光安定性などの重要な機能も備えています[5したがって、CQDは、光電子デバイス[6]、エネルギー変換[7]、光触媒[8]、センサー[9]、バイオイメージング[9]などの分野での応用のための高度な電子および光電子材料として提案されています。 10]、細胞マーカー[11、12]、および薬物送達[13]、ほんの数例を挙げると。近年、CQDの調査は、科学および産業界のコミュニティで注目を集め、急成長している研究分野になっています。

現在、CQDの化学合成に最も一般的に採用されている実験方法は、ボトムアップアプローチによるものであり、これを適用して、蛍光CQDを簡単、安価、大量に製造することができます。この方法では、有機化合物またはポリマーの小分子を炭素源とし、脱水および炭化してCQDを実現します。 CQDの準備中、CQDの表面とエッジは、OH、COOH、C =Oなどの化学基によって結合されることがよくあります。これらの化学基の存在は、CQDの電子的および光学的特性に大きな影響を与える可能性があります。特に、CQDの蛍光特性はこれらのグループの存在に敏感に依存します[14]。物理学の観点から、CQDの表面とエッジに結合した化学基は、新しい種類の表面とエッジの状態をCQDシステムに誘導し、電子構造とそれに対応する電子および光学遷移チャネルを変更できます。 CQD。この場合、CQDからのフォトルミネッセンス（PL）は、共役πなどのエッジ状態と炭素状態の間の電子遷移を介して実現できます。 状態（またはsp ² 範囲）。したがって、CQDからのPL発光のメカニズムは、次のように、ドープされた半導体の不純物状態からの光誘起発光のメカニズムと非常によく似ています[15]。そして、占有された炭素電子状態は、光ポンピングの作用下でより高く空の状態になり、（ii）光励起された電子は、非放射電子遷移イベントを介してエッジ状態の電子状態に緩和され、（iii）PL放出は、光子の放出を伴うエッジ状態から低炭素電子状態への電子遷移を介して達成することができます。したがって、エッジの電子状態は、半導体の放射不純物状態のような役割を果たし、電子を発光用の正孔と組み合わせることができます。通常、sp ² -共役π -ドメインは、PL発光[16]および芳香族sp ² の固有の中心と見なされます。 CQDの炭素領域はsp ³ に囲まれています 炭素（C–OH）状態。したがって、sp ² での電子正孔対の再結合 面積と炭素状態とエッジ状態の間の電子遷移は、CQDからのPL放出を促進する可能性があります[17、18]。

蛍光量子収率（QY）は、吸収された光子の数に対する放出された光子の数によって定義される、材料またはデバイスからの光誘起発光の効率を測定するための重要なパラメーターです。 CQDが発見された初期の頃、化学的に調製されたCQDのQYは非常に低かった（2％未満でさえ）[1]。 CQDの蛍光QYをどのように改善するかは、基礎研究と材料応用の中心的な問題でした。一般に、ボトムアップアプローチによって化学的に実現されるCQDのQYは、炭素源の選択、合成技術、およびエッジ変調に依存します。より具体的には、CQDからのPL放出の強度と頻度は、CQDのサンプルパラメータ、官能基またはエッジ状態の存在、sp ² の電子状態間の相互作用の結果です。 -共役π -ドメインと化学基、およびCQDのフルオロフォアの特性[19]。近年、CQDの蛍光QYは大幅に改善されています[20]。特に、Lingam etal。 PL放出に対するCQDの合成で誘発されたエッジ状態の影響を調べた。彼らは、CQDのエッジが損傷している場合、PL放射が急激に低下し、測定不能になることさえあることを発見しました[21]。クマールらによる同様の作品。また、エッジ状態の存在がCQDからのPLの重要な要素であり、調整可能な異種PLの起源がCQDに対してアミノ官能化されていることも示しています[22]。唐ら。唯一の炭素源としてグルコースを使用したCQDの単純なマイクロ波支援水熱合成を報告しました[23]。反応時間を1分から9分に延長するだけで、CQDのサイズを1.65nmから21nmに調整できます。興味深いことに、彼らは、CQDからのPLがCQDのサイズに依存しないことを発見しました。ここで、9.6nmと20nmのサイズのCQDは、ほぼ同じ光吸収および発光挙動を示します。リンらによるさらなる研究から得られた結果。また、CQDからのPL放出は、sp ² の量子閉じ込めの効果に弱く依存していることも示しています。 -共役π -ドメイン[24]と、CQDに結合した表面官能基の存在がPL発光の重要な要素です。ドンらクエン酸の炭酸化度を調整することにより、円盤状のナノシート（サイズ15 nm、厚さ0.5〜2.0 nm）で青色蛍光CQDを実現しました。彼らは、CQDのPLが励起波長に依存せず、蛍光QYが最大9.0％になる可能性があることを発見しました[25]。 CQDのサイズと裸のCQDのPL発光の波長との関係[26]によれば、サイズが約2.25 nmのCQDは青色の蛍光を発することができますが、 15 nmのサイズでは、より長い波長の蛍光しか発光できません。 15 nmのサイズのCQDからの強い青色のPL発光[25]は、CQDに結合した化学基によって誘発されるエッジ状態の存在が主にCQDからのPL発光の原因であることをもう一度示唆しています。したがって、CQDのエッジ機能は、CQDの蛍光だけでなく、一般的なCQDの物理的および化学的特性にも影響を与える可能性があります[19]。

現在、CQDからの蛍光発光の頻度を人為的に簡単に制御および変更することはできないことに注意する必要があります。さらに、対応する蛍光QYは、実用的なデバイスとしてのアプリケーションの要件にまだ達していません。実験的[27,28,29]および理論的[30、33]研究から得られた結果は、エッジパッシベーションがCQDの電子光学特性を効果的に改善できることを確認しました。不動態化剤は、CQDの蛍光特性を調整するために広く使用されています[21、22、23]。 Jing Liu etal。窒素ドープおよび表面不動態化カーボン量子ドットのワンステップ準備を開発しました[27]。彼らは、表面パッシベーションなしのCQDのQYは通常非常に低く（QY <10％）、パッシベーションされたCQDは37.4％のQYを示すことを発見しました。シェンらによる同様の作品。研究されたPEGで不動態化されたCQDのQYは28％[28]であり、Kwon etal。ヘキサデシルアミン（HDA）で不動態化されたものは19〜35％の収率であると報告されています[29]。 Dimosと共同研究者は、エッジパッシベーションが伝導帯の電子を効果的に誘導し、CQDの表面エネルギーを増加させて、CQDの凝集によって引き起こされる蛍光減衰または消光を防ぐことができることも発見しました[30]。さらに、化学反応またはボトムアップアプローチによって製造されたCQDからの蛍光生成は、主にCQDのエッジに付着した放射性官能基またはフルオロフォアの存在によって引き起こされます[31]。化学的には、これらの官能基は、CQDをさまざまな化学溶液に入れることで変更できます。これらの化学的に修飾されたCQDの蛍光は、電子再結合とCQDのエッジにトラップされた電子正孔対の分離を伴う励起子発光を介して達成できます[32]。したがって、PL放出の頻度は、必要なエッジ状態を形成するためにさまざまなエッジグループを選択することで調整できます。

この研究の主な動機は、CQDの蛍光特性を、不動態化またはエッジ機能のためにさまざまな化学溶液でどのように変更できるかを調査することです。最近、豆腐廃水から有毒物質を一切添加せずにCQDを製造し、発光メカニズムを明らかにしました[33]。これらのドット材料を水またはNaOH溶液に入れることで、これらのCQDからの異なる色の蛍光発光を実現できることがわかりました[33]。また、新鮮なレモンジュースからCQDを作成し、細胞イメージングに適用しました[34]。 CQDの表面と端に酸素含有基が存在することが主にCQDの蛍光の原因であることがわかった[34]。本研究の私たちの注意は、主に、CQDからの蛍光の量子収率を改善する効果的な方法を達成する方法に焦点を当てています。

メソッド

N-、S-、およびP-CQDの合成

この作品では、クエン酸（C ₆ H ₈ O ₇ 、99.5％）、水酸化ナトリウム（NaOH、96％）、アンモニア溶液（NH ₃ H ₂ O、25〜28％）、硫酸溶液（H ₂ SO ₄ 、98％）、リン酸溶液（H ₃ PO ₄ 、85％）、および脱イオン水を使用してCQDを製造し、エッジ状態を変更しました。

B-CQDは、唯一の炭素源としてクエン酸を熱分解することによって合成されました。 N / S / P-CQDは、アンモニア、硫酸、リン酸をそれぞれクエン酸と一緒に熱分解することによって製造されました。 CQDおよび対応するN / S / P-CQDを実現するための原理と実験プロセスを図1に示します。クエン酸の熱分解により、分子間脱水、炭化によってB-CQDを製造できます。 、および縮合反応。このアプローチは、（i）芳香族構造（すなわち、sp ² ）を形成することができます。 CQDのコアとして共役領域を持つC–CおよびC =C結合を持つ炭素状態）、（ii）ヒドロキシル（OH）およびカルボキシル（COOH / –O–C =O）によって結合されたCQDのエッジ、および（iii）sp ³ 炭素（C–C–OH / –C–O）領域。これは、NaOH溶液などで不動態化できます。 N-CQDは、クエン酸とNH ₃ の混合溶液の熱分解プロセスによって実現できます。 H ₂ O.このような場合、隣接する基間のカルボキシルとの脱水素反応は、CQDのグラフェン骨格におけるピロリックNの形成を促進する可能性があります。次に、N-CQDのエッジに、–C–Nや–NH ₂ などの追加の化学基が付加されます。 [35]。 N-CQDの実現と同様に、S-CQD、およびP-CQDは、クエン酸とH ₂ の混合溶液の熱分解によって製造できます。 SO ₄ およびH ₃ PO ₄ 、 それぞれ。分子間脱水、炭化、および縮合反応は、–SO ₂ などの化学基に接続したCQDのグラフェン骨格を形成する可能性があります。 、–HSO ₃ 、および–H ₂ PO ₄ 。さらに、SおよびP原子はsp ² のエッジに付着する可能性があります エッジ欠陥を形成するための炭素共役領域。 N / S / P-CQDの材料構造を図1に示します。本研究では、N / S / P-CQDを室温でNaOH溶液に分散させて不動態化します。したがって、CQDの端にある–COOHの一部を–COONaに変換し、sp ² の端にある–COOHの量を減らすことができます。 -共役π -ドメイン。その結果、CQDのエッジでのグループ変更を実現できます。

CQDおよび対応するN-、S-、およびP-CQD構造の概略合成プロセス

より具体的には、蛍光N / S / P-CQDは、次の方法で調製されます。（i）2gの分析的に純粋なクエン酸を60mlのNH ₃ に添加しました。 H ₂ O（pH =7.5）、60 mlH ₂ SO ₄ （pH =3）、および60 mlH ₃ PO ₄ （pH =3）、それぞれ。 （ii）混合溶液を加熱プラットフォームに置き、300°Cで一定に加熱します。加熱時間は20〜30分です。 （iii）ビーカーを室温まで自然に冷却した後、50 mlの水酸化ナトリウム溶液（NaOH）をビーカーに加える。 （iv）混合物を10分間磁気的に攪拌し、10分間超音波ショックを与え、さらに12,000 r / minの速度で10〜30分間遠心分離します。次に、上澄みを採取します。ここで、N / S / P-CQDは、それぞれアンモニア、硫酸、およびリン酸溶液で修飾され、–OH、–COOH、–C =O、–COONaなどのグループによって不動態化されます。 –NH ₂ 、–SO ₂ 、–HSO ₃ 、および–H ₂ PO ₄ NaOH溶液で得ることができます。 N / S / P-CQDがNH ₃ によって変更されたことを除いて、N / S / P-CQDの準備中 H ₂ O、H ₂ SO ₄ 、およびH ₃ PO ₄ それぞれ、他の実験条件はほぼ同じでした。 NH ₃ に溶解するために同量のクエン酸を使用しました H ₂ O、H ₂ SO ₄ 、およびH ₃ PO ₄ 、それぞれ、熱分解のために、ビーカー内の物質がほぼ乾燥したときに、同じ量および等しい濃度の水酸化ナトリウム溶液を加えた。これにより、NaOH溶液中のCQDの密度をほぼ同じにすることができます。

測定値

この研究では、300 kVの加速電圧で透過型電子顕微鏡（TEM、JEM 2100）を使用して、CQDの形態と微細構造を観察しました。 X線光電子分光法（XPS）を適用して、1486.6eVのAlKαを備えたPHI5000Versa ProbeII光電子分光計を使用してサンプルを特性評価しました。 CQDの紫外可視（UV-Vis）吸収スペクトルは、UV-Vis分光光度計（Specord200、ドイツ）によって測定されました。 CQDからのPL放出は、標準PLシステム（IHR320、Jobin Yvon、USA）を使用して室温で測定されました。 CQDの蛍光QYは、PLデータに基づいて評価されます。

結果と考察

サンプルの特性評価

合成されたままのCQDの形態と構造をTEMで調べた。図2は、S-CQDのTEM画像（a）と直径分布（b）を示しています。 S-CQDは円形のシートであり、NaOH溶液に均一に分散していることがはっきりとわかります。 CQDのTEM画像の統計平均から、S-CQDのサイズ分布は主に3〜8 nmの範囲にあり、CQDの平均サイズは約5.73nmであることがわかります。これらの結果は、Image J を使用した300を超えるCQD粒子の統計分析によって得られたものです。 ソフトウェア。図2cに示す結果は、これらのS-CQDが炭素の典型的な格子構造で高度に結晶化されていることを示しています。 CQDの格子縞は明確であり、対応する格子間隔は約0.215 nmであり、グラフェンの（100）ファセットと一致しています[32]。

a 中のNaOH（pH =12）溶液中のS-CQDのTEM画像 および c のそれらの格子縞 。 S-CQDの直径分布を b に示します。

本研究では、CQDに結合したエッジ官能基の測定と検査にX線光電子分光法（XPS）を適用します。基板としてガラスシートを使用し、測定用のガラスシートにサンプルをコーティングします。図3に、N-、S-、およびP-CQDのXPSスペクトルを示します。図3aに示すように、N-CQDのフルスキャンXPSスペクトルは、N1の原子パーセンテージが9.6％であることを示しています。図3bおよびcは、（i）S-およびP-CQDが、官能基を変更せずに調製されたCQDとは対照的に、それぞれS2（169 eV）およびP2（133 eV）の応答ピークを示すことを示しています。 S-CQDのS2とP-CQDのP2pの原子百分率はそれぞれ2.7％と0.6％です。 S-CQDのS含有量よりもP-CQDのP含有量が少ない主な理由は、Pの原子半径がS（核の陽子数16）よりも比較的大きい（核の陽子数が15）ためです。したがって、P原子は、S原子よりもCQDの表面の化学結合によって吸収される可能性が比較的低くなります。 N-およびP-CQDのXPSスペクトルの図3aおよびcと比較すると、図3bは、S-CQDのC1s原子の割合がはるかに高く（76.9％）、O1s原子の割合（76.9％）を示しています。 20.2％）および不純物原子（S、Na）は非常に低いです。これらの結果は、sp ² の欠陥が少ないことを示しています。 S-CQDの炭素面積。図3dに示すように、C1の高解像度スペクトルは、N-CQDの284.8 eV、286.6 eV、および288.5 eVにそれぞれ3つの典型的なピークを示し、sp ² 炭素（C–C / C =C）領域は、良好な格子構造を持っています[14、25、36]。さらに、sp ³ 炭素（C–O / C–N、286.4 eV）とカルボキシル（O–C =O / COOH、288.1 eV）の結合エネルギーは類似しており[33]、ヒドロキシルの量が類似していることを示しています（C–O / C– OH）およびsp ² 周辺のカルボキシル（O–C =O / COOH） カーボンエリア。 S-およびP-CQDのC1の対応する高解像度スペクトルを、図3eおよびfに示します。図3eに示すように、sp ³ のピーク 炭素（C–O）は非常に強く、ヒドロキシルのピーク（O–C =O / COOH）はS-CQDに対して弱く、ヒドロキシル（C–O / C–OH）の量がカルボキシルよりもはるかに多いことを示しています（O–C =O / COOH）sp ² 周辺 S-CQDの炭素面積。さらに、図3 hは、sp ² 周辺のヒドロキシル（C–O / C–OH）の量がカルボキシル（O–C =O / COOH）よりも少ないことを示しています。 P-CQDの炭素面積。図3d、e、およびfと比較すると、ヒドロキシルのピーク（C–O / C–OH）が最も強く、ヒドロキシルのピーク（O–C =O / COOH）が最も弱いことがわかります。 S-CQDの場合。ヒドロキシル基の量を増やすと、カルボキシル基の量が減り、逆に、カルボキシル基の量を増やすと、ヒドロキシル基の量が減ります。

a のフルスキャンXPSスペクトル / b / c d のC1の高解像度スペクトル / e / f および g のN1s / S2p / P2p / h / i それぞれ、N / S / P-CQDの場合

図3gでは、N1の高分解能スペクトルは、ピリジニック窒素（ピリジニックN、396.9 eV）、ピロリック窒素（ピロリックN、397.6 eV）、グラファイト窒素（N–C _{3 、398.5 eV、sp ² の中心にあります 炭素）およびアミド基（C–NH 2 、399.9 eV、sp ² の端にあります 炭素）、それぞれ[22、37、38、39]。これらの結果は、図1に示すN-CQDの材料構造を確認します。N-CQDでは、フルオロフォアは、C–OHやC–NH 2 などのエッジ官能基の混成によって形成されます。 sp ² で -共役π -ドメイン[40]。N-CQDの蛍光を増強する役割を果たすことができます。 S-およびP-CQDのXPS結果に対応するS2およびP2pの高解像度スペクトルを図3hおよびiに示します。これは、S-CQDおよびP-CQDのエッジが次のような化学結合によって結合されていることを意味します。 C–S–C（164.8 eV）[41]、C–SO X （ X =2、3、4、165.1 eV）[42]、P–C（135.0 eV）[43]、およびP–O（132.7 eV）[44]。したがって、C–SO 2 などの化学結合 、–HSO 3 、C–P–C、–H 2 PO 4 図1に示すように、S-およびP-CQDのエッジになどを形成できます。}

図4は、NaOH溶液中のB-およびN / S / P-CQDから測定された吸収および発光スペクトルを示しています。図4aに、B / N / S / P-CQDのUV-Vis吸収スペクトルを示します。 B-CQDの吸収スペクトルは278nmにUV吸収ピークを示し、N-、S-、およびP-CQDのUV-Vis吸収スペクトルは2つの明確な吸収帯を示します。 253nmでの吸収ピークはπに起因します – π *芳香族C =C結合の遷移と302nmでのショルダーは n に対応します – π * C =O結合の遷移[40]。 C =C結合はsp ² に由来します -N / S / P-CQDのコアの共役ドメイン、C =O結合は、N / S / P-CQDのエッジサイトに存在するカルボキシル基やカルボニル基などの多数の電子求引性酸素含有基に由来します。 。 2つの吸収ピークは、sp ² の存在を示しています。 -N-、S-、およびP-CQDの共役構造と酸素含有官能基（C =OおよびO–C =O / COOH）。

a のB-およびN / S / P-CQDによるUV-Vis吸収のスペクトル 。 b のPLスペクトル B-CQD、 c N-CQD、 d S-CQD、および e 示されているように異なる励起波長を持つP-CQD。これらの結果は室温で得られます

図4b–eは、B-およびN / S / P-CQDのPLスペクトルを示しています。ご覧のとおり、これらのCQDでは強いPL発光が観察されます。 PL発光の強度は最初に増加し、次に励起波長の増加とともに減少することがわかります。この効果は、ほとんどのナノ構造材料で見られます（たとえば、参考文献[45]を参照）。参考文献で指摘されているように。 [38]、CQDの励起に対するPL発光の強度の依存性は、主に、不均一な表面状態と、ヘテロ原子のサイズおよび電子特性に起因します。表面グループ変調を伴うCQDの場合、表面状態の存在により、CQDのバンドギャップと放射エネルギー状態が変化する可能性があります。比較的短い波長の励起下では、電子は、表面変調によって誘発された放射電子状態からさらに離れた伝導帯のより高いエネルギー状態にポンプで送られます。したがって、CQDからの光子放出の可能性は、より短い波長の励起によって減少します。すなわち、ＰＬ発光の強度は、より短い波長領域において励起波長とともに増加する。比較的長波長の領域では、長波長の励起は、CQDの伝導帯に送り込むことができる電子が比較的少ないことを意味します。結果として、PL発光の強度は、長い励起波長領域で励起波長が増加するにつれて減少します。さらに、N / S / P-CQDのPLエミッションは、2つの重なり合うスペクトルバンドで構成されています[25]。二重PLピークは、410nmの波長励起を介してそれぞれ約455nmと473nmで測定できます。これは、sp ² によって形成された電子正孔（e-h）ペアの放射再結合に影響を与えるために、さまざまな官能基によって変更されたN / S / P-CQDからのPL放出の結果です。 -共役π -ドメインとエッジ状態グループ[32、40]。ここで提案されている可能なメカニズムは、（i）N / S / P-CQD内の電子の光励起がπを介して達成されることです。 – π * sp ² からの移行 -共役π - n へのドメイン – π *遷移、（ii）電子は n から緩和されます – π *非放射遷移チャネルを介したC =Oエネルギー準位、および（iii）離散sp ² の正孔の放射再結合 関連する状態とエッジ状態の電子は、豊富な官能基によって誘導される可能性があります[46]。

図4b–eでは、同じ実験条件下で、N / P / S-CQDの蛍光強度がB-CQDの蛍光強度よりも大幅に高いことがわかります。 S-CQDからのPL発光の強度が最も強く、次にN-CQDが続き、P-CQDからのPL発光が最も弱い。この結果は、N / S / P-CQDのC1の高解像度スペクトルに示されている結果に対応しています（図3d、e、fを参照）。 PL発光の強度は、C–O（C–OH）のピーク高さが増加し、O–C =O（COOH）のピーク高さが減少すると増加します。したがって、C–OH、COOH、C =O、C–Hなどのさまざまなエッジグループを持つN / S / P-CQDは、さまざまな種類のエッジ状態を誘発し、その強度に影響を与える可能性があると考えるのが妥当です。フォトルミネッセンス。最も興味深いことに、N / S / P-CQDからのPL発光のピーク位置は励起波長に依存することがわかりました。これは、CQDのエッジに結合した官能基によって誘導される放射電子状態が非常に安定していることを意味します。

上記のように、sp ² S-CQDの炭素面積は欠陥が少ないため、S-CQDからの固有の発光はN-およびP-CQDと比較して最も強くなります。蛍光量子収率の評価式[33]を使用すると、N / S / P-CQDのQYはそれぞれ18.7％、29.7％、10.3％であることがわかります。したがって、最大のQYはS-CQDで達成でき、次にN-およびP-CQDが続きます。ご存知のように、CQDのQYは、放射性電子遷移と非放射性トラップの間の競合するプロセスの結果です[32]。 CQDの端にあるヒドロキシル（C–O / C–OH）は、sp ² の電子状態と相乗的に混成することができます。 -共役π -ドメインはフルオロフォアを形成しますが、これらのカルボキシル（–COOH）は、CQDの端にある非放射再結合中心のような役割を果たすことができます[40]。したがって、CQDのQYは、C–O / C–OHおよびO–C =O / COOHグループの影響を受けます。さらに、S-CQDのエッジの官能基の修飾に硫酸を使用すると、N-およびP-CQDと比較して、S-CQDからのPL発光の増強に大きな影響を与える可能性があることがわかります。この研究で実現されたS-CQDの29.7％のQYは、N-CQDの18.7％、P-CQDの10.3％、およびアンモニア、硫酸、またはリン酸なしで調製されたCQDの9％[23]よりも大きくなっています。 。

この作業では、N / S / P-CQDは、クエン酸とNH ₃ のこれらの混合物の熱分解によって合成されます。 H ₂ O、H ₂ SO ₄ 、およびH ₃ PO ₄ 、続いてNaOH溶液に分散させた。クエン酸の分子間脱水、炭化、縮合反応を促進します。 CQDの端にあるカルボキシル（–COOH）はカルボニル（–C =O）に変換でき[19]、N / S / P-CQDの端は–OH、–COOHなどの化学基によって結合できます。 、–C =O、–NH ₂ 、–SO ₂ 、–HSO ₃ 、および–H ₂ PO ₄ 。したがって、N / S / P-CQDを形成すると、sp ² のエッジに付着する–COOHの量を減らすことができます。 -共役π -ドメインであり、非放射再結合の減少をもたらす可能性があります[47]。その結果、CQDの蛍光QYを効率的に高めることができます。

結論

この研究では、CQDの蛍光量子収率を高めるための効果的な実験方法を開発しました。 N / S / P-CQDは、クエン酸の熱分解によって合成され、エッジグループの修飾にそれぞれアンモニア、硫酸、リン酸を使用しています。結果は、エッジ官能基の存在がこれらのCQDからの蛍光の生成と増強に重要な役割を果たすことができることを示しています。特に、sp ² の端にあるヒドロキシル（C–O / C–OH）基 -共役π -ドメインは、CQDの蛍光量子収率に大きく影響する可能性があります。それにもかかわらず、sp ² のエッジへのカルボキシル（O–C =O / –COOH）基の結合 -共役π -ドメインは主に非放射再結合中心につながり、CQDからのPL放出を弱める可能性があります。現在の研究では、N / S / P-CQDのQYは、それぞれ最大18.7％、29.7％、および10.3％に達する可能性があります。これらの値は、官能基を変更せずに調製されたCQDの9％の値よりもはるかに高くなっています。この研究から導き出された最も重要な結論は、硫酸によるCQDのエッジでのグループ修飾が、CQDの蛍光発光とQYに強く影響する可能性があるということです。

データと資料の可用性

現在の研究中に生成および/または分析されたデータセットは、合理的な要求に応じて対応する著者から入手できます。

略語

CQD：

カーボン量子ドット

PL：

フォトルミネッセンス

QY：

量子収率

TEM：

透過型電子顕微鏡

UV-Vis：

紫外可視

XPS：

X線光電子分光法

XRD：

X線回折