北师大：基于单一固体发光碳量子点的明亮多色LED器件

照明和显示是年产值超千亿美元的国民经济先导性支柱产业。我国的相关产业规模已跃居全球第一。与传统的照明与显示技术相比，发光二极管(LED)能够直接将电能转化为光能，因此可以实现较高的电光能量转换效率及亮度，同时LED还具有轻便及体积小等优点，被认为是理想的全彩显示与固态照明技术。量子点由于具有高发光色纯度，高量子产率，并且光谱范围覆盖了整个可见光，在显示与照明领域展现出巨大应用潜力。量子点电致发光显示是国家重点发展的一项新型显示技术，有望引发新一轮的显示产业技术革命。2023年诺贝尔化学奖授予了三位科学家，表彰他们发现和合成了高性能量子点。然而，目前性能优异且发展较为成熟的量子点材料多含有镉、铅等重金属元素，其潜在毒性限制了其未来广泛应用。

近年来，碳量子点凭借其环境友好、来源广泛、荧光可调以及优异的光热稳定性等优势，在LED领域展现出广阔的应用前景。科睿唯安与中国科学院在2024年12月发布的11大学科领域研究前沿报告中，将碳量子点发光材料列为化学与材料科学领域Top10热点前沿之一。然而，目前碳量子点的制备仍面临产率低、液态发光效率高但在固态中易发生聚集诱导荧光猝灭的问题，极大限制了其在高性能LED器件中的实际应用。因此，研发能够在固态下高效发光的碳量子点对于推动高性能LED器件的发展具有重要意义。

针对上述关键科学问题，北京师范大学袁方龙教授课题组通过将碳量子点化学结构设计为非平面共轭结构，及在共轭结构边缘引入长链给电子官能团，有效抑制了其在固态下的π-π堆积，从而显著减少了聚集诱导的荧光猝灭现象，成功制备了高效固体红光碳量子点。这些碳量子点在分散状态下呈现绿色荧光；而在固体粉末或薄膜状态下则发射红光。通过调节红色固体碳量子点在聚乙烯咔唑 (PVK) 主体材料中的掺杂质量浓度 (5%-100%)，我们实现了电致发光光谱从535 nm至640 nm的调控，其中绿光器件的亮度超过15800 cd m-2，显著优于目前报道的其他基于碳量子点的LED器件。

该研究近期以“Single Solid-State Emissive Carbon Quantum Dots for Multicolor, Bright and Efficient Electroluminescent Light-Emitting Diodes”为题，在《Angewandte Chemie International Edition》上发表。论文作者为23级硕士生李晨昊、滕茜、李金穗及24级本科直博生李金洋，通讯作者为袁方龙教授。感谢科技部、基金委及北京师范大学的经费支持。

来源：北京师范大学

论文链接

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202419983