借助飛秒級納米成像技術發光碳納米點有望取代金屬量子點

量子點，一種極其微小的熒光半導體點，雖然它體積很小，但在健康以及電子技術等諸多領域中都起到非常大的作用同時，其缺點也較為明顯——由具有毒性且非常昂貴的金屬制成。

近些年，科學家們一直致力于尋找一 目走到了一起，進行共同研究。種經濟又無害的量子點替代品。以現在的技術，制造碳基圓點（又稱碳納米點，或碳點）已經變得非常容易，而且它無毒又經濟， 可以說是具備量子點替代品的潛質，但它也存在一個缺陷——發射的光比較少。

近日，來自伊利諾伊大學的研究小組有了新的發現，他們借助飛秒級納米成像技術已經觀察到了碳納米點群中優劣發射體的形態和分布，下一步將優質發射體從中篩選出來便可以替代現有的金屬量子點。

目前，他們的這項研究成果已經發表在PNAS上。

飛秒級納米成像技術讓碳納米點得以被發現

伊利諾伊大學香檳分校和巴爾的摩縣特拉華大學的研究人員，通過伊利諾伊州貝克曼高級科學技術研究所的合作項目走到了一起，進行共同研究。

“在進行這項研究之前，我們不知道是不是所有的碳納米點都只是一般發射體，亦或是，里面既有好的發射體也有壞的發射體。”領導這項研究的伊利諾伊大學化學教授 Martin Gruebele表示。“但我們可以確定的是，我們一旦找到一種方法來證明其中的發射體有好有壞，那么我們一定可以從中篩選出好的發射體?！彼a充說。

這也就意味著，想要確定碳納米點群中發射體的好壞與否，首先需要做的是能夠看到它們。

但這面臨著兩個巨大的挑戰：其一，這些碳納米點太過微小， 直徑小于10nm ;其二，當被激發時它會在數皮秒內發出光。換言之，碳納米點體積太小、激發太快，以至于在空間和時間這兩個維度都難以捕捉觀察到。

于是，他們便采用光學的方式來激發碳納米點，對單點中的電子 - 聲子動力學和兩個碳點之間的納米尺度熱傳輸進行成像。用掃描隧道顯微鏡尖端作為光學激發態的探測器， 通過電子隧道的光學阻擋， 記錄0.1–500皮秒（ps）時間范圍內的載流子動力學影像。

他們還成像了單個碳點中的光子與金中的傳導電子的耦合，作為兩個相鄰碳點之間的超快能量轉移機制。激發態的電子密度從整體遷移到分子級別（1nm）的表面缺陷，然后將單個點的非均勻弛豫到長壽命熒光態或回到基態。

“如果使用先前的單分子吸收掃描隧道顯微鏡，則只能在沒有時間分辨率的情況下對激發態進行成像，顯然這是行不通的?！盙ruebele說，“然而，至關重要的一點，在這項研究中我們使用了飛秒級納米成像技術，它通過結合飛秒時間分辨率和納米空間分辨率來記錄處于激發態的量子點?！?/p>

依托這種飛秒級納米成像技術，Gruebele團隊通過研究觀察發現：其能量激發存在兩種方式： 其一， 直接發出熒光; 其二，先以熱能的形式釋放，然后有可能會產生熒光。

如下圖所示（ 圖中白色比例尺長度為5nm），左側代表的是在普通掃描隧道顯微鏡的成像下，碳納米點只是一個沒有任何特征的點;右側代表的是，在時間分辨單分子吸收掃描隧道顯微鏡的成像下，激光激發最初分布在整個碳納米點上，但在數皮秒內，激發遷移到表面高度局部化的區域，這些過程全部都被記錄了下來。

篩選出完美碳納米點有望取代金屬量子點

研究人員隨后進行了更深入地觀察，Gruebele表示，“ 我們發現，在大量的碳納米點中，大約有20%的碳納米點發光較強，堪稱完美的發射體，而剩下大約80%的碳納米點在放出熱量之前具有很短的發光狀態?！睋Q言之，碳納米點群中既有好的發射體也有壞的發射體，其中優劣占比約為1：4。

他還指出，“這非常關鍵，因為我們看到了其中存在不同的種群，這也就意味著，如果通過某種方法進行篩選，只選擇完美的發射體，那就可以對碳納米點種群進行凈化和提純?！?/p>

至此，第一步完成。他們成功觀察到了碳納米點并分析出了碳納米點群中的發射體的優劣分布。

借助飛秒級納米成像技術，研究人員在觀察中還有其他重要發現，比如為何一些碳納米點永不發光。這預示著，研究人員或許有希望通過人工合成的方式制造出完美的發射體。

“金屬量子點經常被用來監測活體細胞的健康狀況，然而這還遠遠不夠理想，選擇無毒、經濟的碳納米點將會是一個重大的進步。我們現在借助飛秒級納米成像技術已經收獲了很多新的發現?！盙ruebele說，“接下來，是通過一些方法篩選出碳納米點群中的完美發射體，還是通過合成的方式制造出完美發射體，這只是一個選擇題?！?/p>

Gruebele教授團隊這項研究使得碳納米點替代金屬量子點已經邁出了成功的一步，接下來，通過對碳納米點進行篩選、分離，或者是直接合成進而取代目前昂貴有毒的金屬量子點指日可待。