一种全色光致发光碳量子点及其在全色发光的复合薄膜中的应用

技术领域

本发明属于多色碳量子点的制备技术领域，具体涉及一种全色光致发光碳量子点及其在全色发光的复合薄膜中的应用。

背景技术

多色发光材料因其在传感、生物成像、全色显示、发光二极管和光电子器件等方面的广泛应用而备受关注。在这些多色发光材料中，基于稀土的纳米粒子、半导体量子点和有机荧光染料被广泛使用。然而，这些发光材料往往存在许多问题，如水溶性差、制备过程复杂或生物毒性高等。因此，开发高实用性和丰富的色彩调节的新型多色发光材料仍然是一个挑战。

碳量子点(CDs)作为一种新型的多色发光材料，与传统的多色发光材料相比具有许多显著的优点，如优异的光学性能、良好的溶解性和生物相容性，制备方法简单，原料丰富。因此，通过选择合适的碳源或控制反应条件，可以更容易地制备出具有多色发光的CDs，其中，通过调整原料、反应条件或分离方法，已经成功地制备了各种全色发光(蓝-红光区)的CDs。此外，一些CDs还可以通过改变激发波长、溶剂或CDs浓度来实现多色发光。这两种方法都对全色CDs的发展做出了重大贡献。然而，这些方法都有自己的优点和缺点。来自第一种的全色CDs(CDs-A)通常有较高发射强度以及较好的全色分布的CDs发射，然而，各种颜色的CDs-A实际上是由一组CDs实现的，这种全色CDs适合于全彩色显示器。另一方面，来自第二种的全色CDs(CDs-B)可以直接从一种CDs实现各种颜色的发射，这种全色CDs可以通过监测明显的刺激响应性颜色转变来进行传感，然而，各种颜色的CDs-B通常是从一个荧光中心获得的，这导致了较低的荧光强度和某些颜色发射的效率。

目前，只有全色CDs具有较强的各种颜色发射的强度和效率，才具有实用价值。使用一种简易的方法，只改变反应温度的情况下制备全色CDs并将其应用于薄膜及LED的CDs还尚未报道。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种全色光致发光碳量子点及其在全色发光的复合薄膜中的应用。

本发明采用的技术方案为：

一种全色光致发光碳量子点，其制备方法包括如下步骤：

1)以邻苯二胺和丝氨酸为前驱体、水为溶剂，形成均匀分散的混合溶液；

2)将步骤1)所得混合溶液转移到聚四氟乙烯高压反应釜中，再将反应釜转移到烘箱中，在不同温度下进行水热反应，收集反应溶液；

3)将步骤2)所得反应溶液离心，透析，得透析截留物；

4)将步骤3)所得透析截留物进行冷冻干燥，得不同颜色的光致发光碳量子点。

进一步的，上述的一种全色光致发光碳量子点，当所述水热反应的条件为240℃下反应6h时，得到蓝色光致发光碳量子点；当所述水热反应的条件为180℃下反应6h时，得到绿色光致发光碳量子点；当所述水热反应的条件为160℃下反应6h时，得到黄色光致发光碳量子点；当所述水热反应的条件为120℃下反应6h时，得到红色光致发光碳量子点。

更进一步的，上述的一种全色光致发光碳量子点，步骤1)中，所述邻苯二胺和丝氨酸的质量比为2:1。

更进一步的，上述的一种全色光致发光碳量子点，步骤3)中，所述离心的条件：转速为12000转/分，时间为5min；所述透析的条件：透析袋截留分子量为500D，时间为48h。

更进一步的，上述的一种全色光致发光碳量子点，步骤4)中，所述冷冻干燥时间为48h。

上述的一种全色光致发光碳量子点在制备全色发光的复合薄膜中的应用。

进一步的，上述的应用，所述全色发光的复合薄膜的制备方法包括如下步骤：

1)分别配制0.01mg/mL的不同颜色的光致发光碳量子点的乙醇溶液；

2)在95℃下，配制质量浓度为5％的聚乙烯醇水溶液；

3)分别将不同颜色的光致发光碳量子点的乙醇溶液加入5％的聚乙烯醇水溶液中，混合均匀，得不同颜色发光的复合薄膜混合溶液；

4)将不同颜色发光的复合薄膜混合溶液分别涂在不同的光滑玻璃上，在45℃下模压48h后，得不同颜色发光的复合薄膜。

更进一步的，上述的应用，步骤3)中，所述不同颜色的光致发光碳量子点的乙醇溶液和聚乙烯醇水溶液按照体积比1:9混合。

更进一步的，上述的应用，将所述不同颜色发光的复合薄膜覆盖在InGaN LED芯片上，制备得不同颜色的发光二极管。

更进一步的，上述的应用，将分别用所述的蓝色光致发光碳量子点和黄色光致发光碳量子点制备的蓝色发光的复合薄膜和黄色发光的复合薄膜依次叠加覆盖在InGaN LED芯片上，制备得白色发光二极管。

本发明的有益效果为：

1、本发明中，通过使用邻苯二胺和丝氨酸，通过水热法，形成全色光致发光CDs，原材料便宜，制备步骤简单。

2、本发明提供的全色光致发光CDs，其发射波长具有双重依赖的性质，用于多色CDs/聚乙烯醇(PVA)薄膜以及发光二极管(LED)的制备，蓝色发光的复合薄膜和黄色发光的复合薄膜依次叠加覆盖在InGaN LED芯片上，制备了白光发光二极管(WLED)，实现了CIE坐标接近(0.31，0.32)的白光LED，提供了一种新型的制备CDs/PVA薄膜以及白色发光二极管的方法，具有很大的应用前景。

3、本发明提供的全色光致发光CDs，仅改变水热反应温度的情况下形成全色荧光碳量子点，从而得到从蓝到红的真正意义上的全色发光CDs，为全色发光CDs的制备提供了一个全新的思路。

附图说明

图1是全色光致发光CDs的透射电镜图，其中，a是蓝色光致发光CDs，b是绿色光致发光CDs，c是黄色光致发光CDs，d是红色光致发光CDs。

图2是全色光致发光CDs的XPS总图。

图3是全色光致发光CDs在乙醇溶剂中的光致发光光谱图。

图4是全色光致发光CDs的紫外-可见吸收光谱图，其中，a是蓝色光致发光CDs，b是绿色光致发光CDs，c是黄色光致发光CDs，d是红色光致发光CDs。

图5是在365nm紫外光激发下具有全色发光的CDs/PVA薄膜实物图，其中，Ⅰ是蓝色，Ⅱ是绿色，Ⅲ是黄色，Ⅳ是红色。

图6是蓝色、绿色、黄色和红色LED原型实物图。

图7是WLED原型及其固态发射光谱图。

图8是WLED的CIE色度坐标图。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面通过实施例对本发明做进一步说明，应理解以下实施目的在于更好地解释本发明的内容，而不是对本发明的保护范围产生任何限制。

实施例1全色光致发光碳量子点的制备(一)制备方法包括如下步骤：

1)将0.2g的邻苯二胺和0.1g丝氨酸与水混合形成均匀分散的混合溶液；

2)将步骤1)所得混合溶液平均分成四份，分别转移到聚四氟乙烯高压反应釜中，再将反应釜转移到烘箱中，一份于240℃下水热反应6h得到蓝色光致发光CDs的反应溶液，一份于180℃下水热反应6h得到绿色光致发光CDs的反应溶液，一份于160℃下水热反应6h得到黄色光致发光CDs的反应溶液，一份于120℃下水热反应6h得到红色光致发光CDs的反应溶液；

3)将步骤2)所得的各反应溶液，分别在转速为12000r/min下，离心5min，取上清液用截留分子量为500D的透析袋透析48h，得透析截留物；

4)将步骤3)所得透析截留物在冷冻干燥机中冷冻干燥48h，得四种固态粉末状全色光致发光CDs(蓝色光致发光CDs，绿色光致发光CDs，黄色光致发光CDs，红色光致发光CDs)。

(二)检测

图1是全色光致发光CDs的透射电镜图。由图1中a-d可见，全色光致发光CDs在乙醇溶液中均匀分散，其中蓝色光致发光CDs平均直径为2.9nm，绿色光致发光CDs平均直径为3.5nm，黄色光致发光CDs平均直径为4.3nm，红色光致发光CDs平均直径为5.2nm。

图2是全色光致发光CDs的XPS总图。通过XPS分析研究了CDs的化学组成，从图中可以得出，CDs主要含有C、O和N元素(即C/O/N＝1.0/0.75/0.28，摩尔比)。表征结果表明，CDs由纳米级的石墨状骨架/核组成，表面覆盖着含氮和氧的杂环化学结构以及丰富的氨基和羟基官能团。

图3是全色光致发光CDs在乙醇溶剂中的光致发光光谱图。分散在乙醇溶剂中的CDs的荧光发射几乎覆盖了整个可见光光谱。归一化的最大荧光强度及其位置如图3所示，发射波长从450nm移到650nm，b-CDs表示蓝色光致发光CDs，发射峰为450nm；g-CDs表示绿色光致发光CDs，发射峰为500nm；y-CDs表示黄色光致发光CDs，发射峰为550nm；r-CDs表示红色光致发光CDs，发射峰为650nm。

图4a-d是四种颜色光致发光CDs紫外-可见吸收光谱。由图可见，在210～330nm的紫外区，属于C＝N键的π-π*跃迁。而在330nm之后的单峰属于C＝O键的n-π*跃迁。随着四种碳量子点的发射波长的增加，图4a所示的b-CDs在280nm处观察到单峰，图4b所示的g-CDs在350nm处观察到单峰，图4c所示的y-CDs在440nm处观察到单峰，图4d所示的r-CDs在400-600nm处观察到峰，由此可以看出，随着四种碳量子点的发射波长的增加，n-π*峰逐渐向长波移动，由共轭sp

实施例2全色发光的复合薄膜的制备及应用(一)制备方法包括如下步骤：

1)分别配制0.01mg/mL的不同颜色的光致发光CDs的乙醇溶液；

2)在95℃下将5g聚乙烯醇(PVA)分散于95g去离子水中，制得5％PVA水溶液；

3)分别将1mL不同颜色的光致发光CDs的乙醇溶液加入9mL 5％PVA溶液中，混合均匀，得不同颜色的CDs/PVA混合溶液；

4)将不同颜色的CDs/PVA混合溶液分别涂在不同的光滑玻璃上，在45℃下模压48h后，得不同颜色(蓝色、绿色、黄色、红色)发光的复合薄膜(CDs/PVA薄膜)。

(二)应用

1、将不同颜色发光的CDs/PVA薄膜覆盖在InGaN LED芯片上，制备不同颜色发光的CDs基LED，InGaN LED芯片的发射波长为365nm，工作电压为3.0V，一旦LED接线，就可以观察到相应LED的颜色变化。

2、蓝色发光的复合薄膜和黄色发光的复合薄膜依次叠加覆盖在InGaN LED芯片上，制备得白色发光二极管(WLED)，InGaN LED芯片的发射波长为365nm，工作电压为3.0V，一旦LED接线，就可以观察到WLED的颜色为白色。

图5是在365nm紫外光激发下具有全色发光的CDs/PVA薄膜，其中，Ⅰ是蓝色，Ⅱ是绿色，Ⅲ是黄色，Ⅳ是红色，图5显示成功地制备了全色发光的CDs/PVA薄膜。

图6是利用相应的CDs/PVA薄膜和以365nm为中心的InGaN LED芯片，制备了不同颜色发光的CDs基LED，这些LED发出明亮的蓝光、绿光、黄光和红光(图6中从左至右)。

图7显示将蓝色光和黄色光结合在一起，获得了WLED原型及其固态发射光谱。

图8显示了CIE坐标接近(0.31，0.32)的WLED，实现了全波长发光。