借助飛秒級(jí)納米成像技術(shù)發(fā)光碳納米點(diǎn)有望取代金屬量子點(diǎn)

量子點(diǎn)，一種極其微小的熒光半導(dǎo)體點(diǎn)，雖然它體積很小，但在健康以及電子技術(shù)等諸多領(lǐng)域中都起到非常大的作用同時(shí)，其缺點(diǎn)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(xué)家們一直致力于尋找一 目走到了一起，進(jìn)行共同研究。種經(jīng)濟(jì)又無(wú)害的量子點(diǎn)替代品。以現(xiàn)在的技術(shù)，制造碳基圓點(diǎn)（又稱碳納米點(diǎn)，或碳點(diǎn)）已經(jīng)變得非常容易，而且它無(wú)毒又經(jīng)濟(jì)， 可以說(shuō)是具備量子點(diǎn)替代品的潛質(zhì)，但它也存在一個(gè)缺陷——發(fā)射的光比較少。

近日，來(lái)自伊利諾伊大學(xué)的研究小組有了新的發(fā)現(xiàn)，他們借助飛秒級(jí)納米成像技術(shù)已經(jīng)觀察到了碳納米點(diǎn)群中優(yōu)劣發(fā)射體的形態(tài)和分布，下一步將優(yōu)質(zhì)發(fā)射體從中篩選出來(lái)便可以替代現(xiàn)有的金屬量子點(diǎn)。

目前，他們的這項(xiàng)研究成果已經(jīng)發(fā)表在PNAS上。

飛秒級(jí)納米成像技術(shù)讓碳納米點(diǎn)得以被發(fā)現(xiàn)

伊利諾伊大學(xué)香檳分校和巴爾的摩縣特拉華大學(xué)的研究人員，通過(guò)伊利諾伊州貝克曼高級(jí)科學(xué)技術(shù)研究所的合作項(xiàng)目走到了一起，進(jìn)行共同研究。

“在進(jìn)行這項(xiàng)研究之前，我們不知道是不是所有的碳納米點(diǎn)都只是一般發(fā)射體，亦或是，里面既有好的發(fā)射體也有壞的發(fā)射體?！鳖I(lǐng)導(dǎo)這項(xiàng)研究的伊利諾伊大學(xué)化學(xué)教授 Martin Gruebele表示?！暗覀兛梢源_定的是，我們一旦找到一種方法來(lái)證明其中的發(fā)射體有好有壞，那么我們一定可以從中篩選出好的發(fā)射體?！彼a(bǔ)充說(shuō)。

這也就意味著，想要確定碳納米點(diǎn)群中發(fā)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(gè)巨大的挑戰(zhàn)：其一，這些碳納米點(diǎn)太過(guò)微小， 直徑小于10nm ;其二，當(dāng)被激發(fā)時(shí)它會(huì)在數(shù)皮秒內(nèi)發(fā)出光。換言之，碳納米點(diǎn)體積太小、激發(fā)太快，以至于在空間和時(shí)間這兩個(gè)維度都難以捕捉觀察到。

于是，他們便采用光學(xué)的方式來(lái)激發(fā)碳納米點(diǎn)，對(duì)單點(diǎn)中的電子 - 聲子動(dòng)力學(xué)和兩個(gè)碳點(diǎn)之間的納米尺度熱傳輸進(jìn)行成像。用掃描隧道顯微鏡尖端作為光學(xué)激發(fā)態(tài)的探測(cè)器， 通過(guò)電子隧道的光學(xué)阻擋， 記錄0.1–500皮秒（ps）時(shí)間范圍內(nèi)的載流子動(dòng)力學(xué)影像。

他們還成像了單個(gè)碳點(diǎn)中的光子與金中的傳導(dǎo)電子的耦合，作為兩個(gè)相鄰碳點(diǎn)之間的超快能量轉(zhuǎn)移機(jī)制。激發(fā)態(tài)的電子密度從整體遷移到分子級(jí)別（1nm）的表面缺陷，然后將單個(gè)點(diǎn)的非均勻弛豫到長(zhǎng)壽命熒光態(tài)或回到基態(tài)。

“如果使用先前的單分子吸收掃描隧道顯微鏡，則只能在沒(méi)有時(shí)間分辨率的情況下對(duì)激發(fā)態(tài)進(jìn)行成像，顯然這是行不通的。”Gruebele說(shuō)，“然而，至關(guān)重要的一點(diǎn)，在這項(xiàng)研究中我們使用了飛秒級(jí)納米成像技術(shù)，它通過(guò)結(jié)合飛秒時(shí)間分辨率和納米空間分辨率來(lái)記錄處于激發(fā)態(tài)的量子點(diǎn)。”

依托這種飛秒級(jí)納米成像技術(shù)，Gruebele團(tuán)隊(duì)通過(guò)研究觀察發(fā)現(xiàn)：其能量激發(fā)存在兩種方式： 其一， 直接發(fā)出熒光; 其二，先以熱能的形式釋放，然后有可能會(huì)產(chǎn)生熒光。

如下圖所示（ 圖中白色比例尺長(zhǎng)度為5nm），左側(cè)代表的是在普通掃描隧道顯微鏡的成像下，碳納米點(diǎn)只是一個(gè)沒(méi)有任何特征的點(diǎn);右側(cè)代表的是，在時(shí)間分辨單分子吸收掃描隧道顯微鏡的成像下，激光激發(fā)最初分布在整個(gè)碳納米點(diǎn)上，但在數(shù)皮秒內(nèi)，激發(fā)遷移到表面高度局部化的區(qū)域，這些過(guò)程全部都被記錄了下來(lái)。

篩選出完美碳納米點(diǎn)有望取代金屬量子點(diǎn)

研究人員隨后進(jìn)行了更深入地觀察，Gruebele表示，“ 我們發(fā)現(xiàn)，在大量的碳納米點(diǎn)中，大約有20%的碳納米點(diǎn)發(fā)光較強(qiáng)，堪稱完美的發(fā)射體，而剩下大約80%的碳納米點(diǎn)在放出熱量之前具有很短的發(fā)光狀態(tài)?！睋Q言之，碳納米點(diǎn)群中既有好的發(fā)射體也有壞的發(fā)射體，其中優(yōu)劣占比約為1：4。

他還指出，“這非常關(guān)鍵，因?yàn)槲覀兛吹搅似渲写嬖诓煌姆N群，這也就意味著，如果通過(guò)某種方法進(jìn)行篩選，只選擇完美的發(fā)射體，那就可以對(duì)碳納米點(diǎn)種群進(jìn)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(diǎn)并分析出了碳納米點(diǎn)群中的發(fā)射體的優(yōu)劣分布。

借助飛秒級(jí)納米成像技術(shù)，研究人員在觀察中還有其他重要發(fā)現(xiàn)，比如為何一些碳納米點(diǎn)永不發(fā)光。這預(yù)示著，研究人員或許有希望通過(guò)人工合成的方式制造出完美的發(fā)射體。

“金屬量子點(diǎn)經(jīng)常被用來(lái)監(jiān)測(cè)活體細(xì)胞的健康狀況，然而這還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠理想，選擇無(wú)毒、經(jīng)濟(jì)的碳納米點(diǎn)將會(huì)是一個(gè)重大的進(jìn)步。我們現(xiàn)在借助飛秒級(jí)納米成像技術(shù)已經(jīng)收獲了很多新的發(fā)現(xiàn)?！盙ruebele說(shuō)，“接下來(lái)，是通過(guò)一些方法篩選出碳納米點(diǎn)群中的完美發(fā)射體，還是通過(guò)合成的方式制造出完美發(fā)射體，這只是一個(gè)選擇題。”

Gruebele教授團(tuán)隊(duì)這項(xiàng)研究使得碳納米點(diǎn)替代金屬量子點(diǎn)已經(jīng)邁出了成功的一步，接下來(lái)，通過(guò)對(duì)碳納米點(diǎn)進(jìn)行篩選、分離，或者是直接合成進(jìn)而取代目前昂貴有毒的金屬量子點(diǎn)指日可待。