文 献 综 述

1.概述

量子点（quantum dot, QD）在20世纪80年代早期由物理学家发现，主要由尺寸在1~10纳米的II-VI族或III-V族元素组成，是一种溶于水且稳定性十分高的纳米晶体。半导体量子点又被称为半导体纳米颗粒或纳米晶。量子点由于具有类似原子能级分立结构的电子能量状态，所也被称为人造原子。碳纳米材料家族的新秀#8212;#8212;碳量子点是一类由碳、氢、氧、氮等元素组成，以sp²杂化碳为主的表面带有大量含氧基团，且颗粒尺寸小于10 nm的准球型碳纳米粒子。除了具有高的载流子迁移率、良好的热学和化学稳定性以及环境友好性、价格低廉等无可比拟的优势，与传统半导体量子点材料相比，CDs材料耐光漂白、易于功能化、低毒性、反应条件温和，而且还拥有可调的激发波长和发、大的双光子吸收截面、光稳定性好、无光闪烁、荧光强度高、在近红外光激发下可发射近红外荧光等独特的性质。因此，CDs 在生命科学、环境检测、光电器件、光催化等各个领域具有前所未有的应用前景。近10年中，作为碳家族材料中一类崭新的明星材料，CDs已经逐渐成为研究者关注的热点，在制备和应用方面均取得了许多突破性的进展^[1]。

光致发光特性是碳量子点最为重要的性质^[2]，与传统半导体QDs、普通有机染料和金属纳米粒子相比较，碳量子点主要表现为以下特性：

a.激发波长依赖性 b.光稳定性c.pH依赖性d.电化学发光e.近红外激发 f.上转换性质

2.1 CDs的制备

CDs的制备原料多种多样，制备方法层出不穷。近年来众多科学家通过不懈的努力，采用不同的合成方法和不同的碳源制备了一系列CDs。CDs的合成方法通常分为两类：自上而下法和自下而上法。前者主要是通过物理或化学方法将大尺寸的碳前驱体（如石墨、碳纳米管、碳黑、活性炭以及石墨烯氧化物等）分碎成小尺寸的碳量子点，主要包括电弧放电、激光刻蚀、电化学氧化、化学氧化和水热法等。后者是以柠檬酸盐、糖类等小分子作为前驱体通过热解法、微波法、燃烧法以及溶液化学法等一系列化学反应得到尺寸更大的碳量子点。典型的CDs的制备方法及其性能参数如表1所示。从表1可以看出，制备方法和先驱体对所合成碳量子点的组成、尺寸、发光波长、荧光量子产率（QY）等都有非常大的影响，碳量子点颗粒尺寸可以在0.4~10 nm范围变化，量子产率可以在0.5%~69.1%甚至80%范围内变化，当激发波长从300~500 nm变化时，发射波长范围可以覆盖450~600 nm。作为一类新型的荧光纳米材料，CDs的荧光量子产率的高低是其能否替代有机荧光染料和半导体量子点至关重要的因数之一。然而初制备的CDs一般荧光量子产率很低，尚未达到半导体量子点的水平，一般需要对其进行表面修饰处理或与其他材料复合等方式（如杂原子掺杂、硅烷功能化、有机聚合物复合、金属粒子复合等）来改变碳量子点的组成或结构，以增强荧光强度及提高荧光量子产率，从而满足应用要求。

表1 CDs 的制备方法及其性能参数