上海微系統所在石墨烯量子點(diǎn)熒光發(fā)光機制研究方面取得進(jìn)展
近日，中國科學(xué)院上海微系統與信息技術(shù)研究所納米材料與器件實(shí)驗室丁古巧團隊在石墨烯量子點(diǎn)制備及熒光機制研究方面取得重要進(jìn)展。該工作加深了對石墨烯量子點(diǎn)發(fā)光機理的理解，同時(shí)實(shí)現了對多變量體系下機器學(xué)習輔助材料制備結果所包含物理內涵的闡釋。相關(guān)論文以 “Precursor Symmetry Triggered Modulation of Fluorescence Quantum Yield in Graphene Quantum Dots”為題發(fā)表于Advanced Functional Materials（論文鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202401246）。
近年來(lái)，以石墨烯量子點(diǎn)為代表的碳基量子點(diǎn)材料，因其獨特的sp2–sp3雜化碳納米結構，表現出優(yōu)異的光、電、磁學(xué)性質(zhì)。在石墨烯量子點(diǎn)“自下而上”法制備中，多變量反應體系使其在合成與機制研究領(lǐng)域面臨系列挑戰。另一方面，機器學(xué)習以其高效的分析算法和模型在復雜體系分析、新型材料設計等領(lǐng)域展現了獨特優(yōu)勢。然而，由于具備實(shí)際物理內涵的結構特征描述符的缺失，機器學(xué)習往往僅能得到難以闡釋物理內涵的數學(xué)模型。這限制了機器學(xué)習在相關(guān)研究中的可遷移性和實(shí)用性。針對上述研究困境，石墨烯粉體課題組博士生陳良鋒、楊思維副研究員結合群論在分子結構描述上的優(yōu)勢，通過(guò)控制變量實(shí)驗與結構化學(xué)理論的結合，將具有實(shí)際物理含義的描述符應用于機器學(xué)習中，首次揭示了石墨烯量子點(diǎn)的前驅體結構與熒光量子產(chǎn)率間關(guān)聯(lián)的物理內涵。
該工作利用高結構剛性sp3前驅體與柔性sp2結構前驅體之間的“自下而上”反應，實(shí)現了石墨烯量子點(diǎn)中sp2–sp3雜化碳納米結構的調制。結合熱動(dòng)力學(xué)理論，闡明了sp3剛性結構能通過(guò)抑制非輻射躍遷過(guò)程提高石墨烯量子點(diǎn)量子產(chǎn)率。進(jìn)一步地，借助群論在描述分子結構方面的優(yōu)勢，結合主成份分析，明確了石墨烯量子點(diǎn)制備過(guò)程中影響石墨烯量子點(diǎn)熒光量子產(chǎn)率的結構因子（F1）、溫度因子（F2）和濃度因子（F3）三個(gè)決定性因素（圖1）。
圖1. 結合群論的主成分分析方法揭示雙組份“自下而上”多變量反應體系中各種特征參量作用于石墨烯量子點(diǎn)的熒光量子產(chǎn)率物理機制
更重要的是，與以往基于機器學(xué)習的研究工作相比，基于群論的進(jìn)一步探索，首次揭示了機器學(xué)習結果中，分子的簡(jiǎn)正振動(dòng)是前驅體對稱(chēng)性作用于石墨烯量子點(diǎn)量子產(chǎn)率增量的核心物理機制。基于上述原理的指導，成功獲得了絕對量子產(chǎn)率高達83%的石墨烯量子點(diǎn)，其優(yōu)異的光致發(fā)光性能在熒光信息防偽加密中具有廣闊的應用前景（圖2）。
圖2. 機器學(xué)習結果指導的高量子產(chǎn)率石墨烯量子點(diǎn)及熒光防偽加密應用演示
論文第一作者為我所博士生陳良鋒、楊思維副研究員，通訊作者為楊思維副研究員、丁古巧研究員。相關(guān)工作得到上海市科學(xué)技術(shù)委員會(huì )（21ZR1482800，23YF1455800）、集成電路材料全國重點(diǎn)實(shí)驗室開(kāi)放課題（NKLJC-K2023-01）、院青促會(huì )、所新微之星人才等項目等基金支持。
