海洋光学QEPro对氮化碳量子点基发光二极管的光致发光（PL）光谱测试

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2025

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量子点（QDs）因其独特的尺寸可调电子和光学特性而备受关注。这些独特的特性使得量子点能够在各种应用中得到广泛应用，例如显示技术、生物医学成像、太阳能电池和传感器等领域，突显了其巨大的潜力。特别是，量子点的可调发射波长、高色彩纯度以及卓越的荧光效率使其与传统的荧光材料有显著区别，这使它们成为下一代发光二极管（LED）技术的有前途的候选材料[1]。

碳氮化物量子点（CNQDs）作为一种聚合型半导体纳米材料，因其高光致发光效率、无毒、成本低廉的合成方式以及可调的光电特性而成为传统金属基量子点的有前景的替代品。该文章首次报道了一种基于自下而上热聚合碳量子点的高性能发光二极管。所得到的碳量子点的光致发光量子产率（PLQY）达到 43%，在同类材料中处于领先水平。合成的碳量子点表现出卓越的电荷传输性能，研究团队还制备了溶液加工的绿色发光碳量子点发光二极管器件，其 CIE 色彩坐标为（0.29，0.46）。与之前报道的碳量子点发光二极管相比，该器件实现了重大突破：在 5.8 V 驱动电压下，量子效率为 2.14%，亮度为 855 cd m-2。这一开创性的进展不仅重新定义了碳量子点发光二极管的性能极限，还为它们的光电应用确立了一个新的里程碑标准，同时揭示了其作为低成本、环保的先进材料的变革潜力。

这些碳纳米量子点是通过一种自下而上的热聚合方法合成的，所使用的前驱体为苹果酸和尿素。透射电子显微镜（TEM）显示，所制备的碳纳米量子点分布均匀（图a）。高分辨率透射电子显微镜（HR-TEM）图像清楚地表明，碳纳米量子点具有球形形态且结晶度高（图b）。发现了两种不同的晶格间距，分别为0.21nm和0.34nm（图c）。从X射线衍射（XRD）图谱中可以看出，碳纳米量子点的最显著衍射峰位于22.1°。此外，与之前报道的块状C3N4相比，碳纳米量子点中13.0°处的衍射峰的相对强度明显减弱，这表明平面重复单元结构被破坏了。这些碳量子点可能含有诸如羧基、羟基和氨基等各种官能团，从而使产品具有出色的水溶性。进行了 X 射线光电子能谱（XPS）分析，以进一步研究碳量子点的元素组成和化学状态。C–O 和 O–CvO 键的存在证实了 CNQDs 中存在含氧功能团。在 N 1s 光谱中，观察到三个特征峰，其结合能分别为 398.8、399.8 和 401.3 eV，分别对应于 CvN–C、C–N–C 和 N–(C)（图 h）。O 1s 光谱可以分解为三个成分，分别位于 531.4、532.5 和 533.8 eV处，分别代表 CvO、C–O 和 O–H（图 i）。这些 XPS 结果与 FT-IR 光谱结果高度一致。综合来看，结构分析表明 CNQDs 主要由三重三嗪单元作为基本框架构成，其表面则被含氧和氮的功能团所修饰。

紫外-可见（UV-Vis）吸收光谱和光致发光（PL）光谱反映了碳量子点（CNQDs）的光学特性，测试的设备是海洋光学的光谱仪QE PRO。如图 a 所示，在 435nm处观察到一个特征吸收峰，吸收边在 590nm左右。光致发光光谱呈现出不对称的发射峰，这归因于从反键轨道π*到π态以及共轭和桥接氮原子的孤对态的多个电子跃迁、激子自捕获效应以及各种表面态。在光致发光测量过程中，基态电子吸收光子并被激发到更高的能级。激发电子逐渐衰减至更低的能级，而在衰减过程中，一些电子与空穴发生复合，导致光致发光光谱变得宽广且不对称。光致发光量子产率（PLQY）高达 43%。同时，CNQDs 在异丙醇中的胶体溶液在六个月的储存期内没有变化或沉淀，这表明其具有出色的稳定性。如图 b 所示，发射峰随着激发波长的增加而红移，这进一步证实了 CNQDs 中的多个电子跃迁。团队进一步利用时间分辨光致发光光谱技术研究了碳量子点中的激子复合动态过程（图 c）。光致发光衰减曲线可以很好地用双指数衰减模型拟合，得出两个寿命值：τ1 = 0.8 ns和 τ2 = 5.5 ns。较长的寿命部分可归因于辐射复合过程，而较短的部分则与非辐射复合过程相关。

为了探究碳量子点在发光二极管中的应用潜力，通过将碳量子点溶液进行涂覆处理作为发光层，制备了一系列电致发光器件。选择了具有不同迁移率水平的 TPBi（器件 I）、PO-T2T（器件 II）和 B3PYMPM（器件 III）作为电致发光层材料，并将这些器件构建为 ITO/PEDOT:PSS/TFB/PVK/CNQDs/ETL/LiF/Al（图 a）结构。在这种器件配置中，PEDOT:PSS 起到空穴注入层（HIL）的作用，以降低空穴注入势垒并增强从阳极注入空穴。TFB 和 PVK 被用作空穴层（HTL），有助于更有效地将空穴传输至发光体层（EML）。LiF 和 Al 分别作为电子注入层和阴极。由于 TPBi 具有出色的激子结合能力、中等的电子迁移率有利的能量级对齐以及出色的成膜性能，因此被广泛用作量子点发光二极管的电致发光层材料。如图 c 所示，器件 I 的电流密度随着施加的偏压电压的增加而均匀增加，达到最大电流密度 342 mA cm−2，表明良好的电子和空穴注入特性。该器件的开启电压约为 4.0 V，当电压为 6.8 V时，其最大亮度可达 280 cd m-2（图 d）。然而，其光电转换效率仅为 0.30%（图 e）。这可能归因于 TPBi 的最低未占据分子轨道（LUMO）水平与传统 CdSe/InP 量子点的导带高度对齐良好，但与 CNQDs 的导带存在显著的能量级错配，从而导致电子注入障碍，进而影响复合效率。此外，电致发光强度随着施加电压的增加而逐渐增强，且没有出现明显的光谱偏移（图 f），这表明电压的升高并未改变主要的发光机制，从而证明了该材料具有良好的光学稳定性，该数据也是由QEPRO测试得出。

综上所述，通过一种简单的自下而上的热聚合方法，成功合成了高质量的碳量子点。所合成的碳量子点的光致发光量子产率高达 43%，并且表现出匹配的电荷传输特性。基于这些量子点，研究团队进一步优化了绿色发光的量子点发光二极管器件结构：ITO/PEDOT:PSS/PVK/CNQDs/TpPyPB/B3PYMPM/LiF/Al。该器件在低开启电压下实现了 2.14%的外量子效率和 855 cd m-2 的亮度，显著优于之前报道的碳量子点发光二极管。这些结果不仅展示了碳量子点在光电子应用中的巨大潜力，也为它们在量子点发光二极管器件中的实际应用奠定了基础。

海洋光学QEPro高性能光谱仪

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