電気化学エッチングによるカーボンドットの再彫刻

Scientific Reports volume 13、記事番号: 3710 (2023) この記事を引用

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メトリクスの詳細

フォトルミネセンスカーボンドット（Cドット）の構造と特性の関係を調査することに多大な努力が向けられています。 この研究は、電気化学エッチングによって引き起こされ、広範な表面酸化と炭素間破壊を介して進行する C ドットの再彫刻メカニズムを解明します。 このプロセスにより、ナノ粒子が徐々に収縮し、未処理の類似体と比較して量子収率を半分以上高めることができます。

最も有望な種類のナノエミッターの 1 つであるカーボン ドット (C ドットと略称) は、特徴的な励起波長依存性の発光と光退色に対する顕著な耐性を示し、従来の重金属ベースの量子ドット (QD) と同様の性能特性を示します。 、2、3、4、5、6。 元素組成の観点から見ると、C ドットは主に C、H、O、N で構成されていますが、多くの研究では、表面官能基がその分散性、コロイド安定性、光学的特性、毒性、生体適合性、および細胞において重要な役割を果たしていることが示唆されています。摂取7。

フォトルミネッセンス (PL) 挙動の正確な起源は完全には理解されていないため、オーダーメイドの C ドットの開発は未解決の課題のままです。 明確に定義された C ドットは、果物 9、草 10、羊毛 11 または尿素 12、エタノールアミン 13、クエン酸 14、葉酸 15 などの分子前駆体を含む再生可能資源 8 の熱処理によって合成できます。 熱分解により生成された C ドットは、水相、固体状態、またはポリマー マトリックス内のその場で生成されます 16。 出発物質の性質とその後の合成方法に応じて、C ドットの黒鉛化度は、本質的に非晶質から高度に黒鉛質まで大幅に変化する可能性があります 17。

上記で概説した望ましい特性により、C ドットは、化学的および生物学的センシング 18、バイオイメージング 19、ナノ医療 20、抗菌コーティング 21、ナノ法医学 22、肥料 23、エネルギー変換器 24、電極触媒作用 25 において系統的に研究されています。 C ドットは、電極触媒作用、電気感知、太陽光発電、電池、発光ダイオードで使用される場合、さまざまなレベルの電気化学ポテンシャルを受けると言うだけで十分です。 さらに、C ドットの電気生成は、グラフェン、グラファイト、カーボンファイバー、カーボン ナノチューブ 26、木炭 27 で構成される電極の剥離 (トップダウン アプローチ)、またはアルコール 28、アセトニトリル 29 (a) などの小分子前駆体の電解酸化/電解重合によって行われます。ボトムアップ戦略）。 現在、C ドットのサイズとその PL 発光を厳密に制御できる方法が追求されており、さらなる応用が容易になります 30,31。

この研究では、C ドットの構造特性と光学特性を劇的に変更する電気化学的に誘発されるメカニズムを開示します。 このプロセスは電気化学エッチングに依存しており、大規模な表面酸化と炭素-炭素結合の破壊を介して進行します。 これに基づいて、ナノ粒子サイズは徐々に小さくなり、量子収率 (QY) は 640% まで向上します。 私たちの知る限り、これは、サイズ調整とPL発光の正確な制御の可能性をもたらす、Cドットにおけるこの非常に効果的な再彫刻メカニズムの作用に関する確かな証拠に貢献する最初の研究です。

C ドットの水分散液の PL スペクトル (SI 図 1) は、発光波長 (λem) が λex の増加に伴って赤方偏移するという意味で、380 ～ 500 nm の範囲内で特徴的な λex 依存発光パターンを示します。 このタイプの発光モードは、共役πドメインの電子バンドギャップ遷移、表面欠陥状態、エッジ効果および架橋増強発光に関連する寄与に割り当てられているが、分子発色団の存在は通常、別個の λex 独立寄与の発生に関連している 32。 33、34。