从100G到800G！上海交大学者再破光传输世界纪录

量子点，一种极其微小的荧光半导体点，虽然它体积很小，但在健康以及电子技术等诸多领域中都起到非常大的作用，同时，其缺点也较为明显 —— 由具有毒性且非常昂贵的金属制成。

近些年，科学家们一直致力于寻找一种经济又无害的量子点替代品。以现在的技术，制造碳基圆点（又称碳纳米点，或碳点）已经变得非常容易，而且它无毒又经济，可以说是具备量子点替代品的潜质，但它也存在一个缺陷 —— 发射的光比较少。

图 | 碳原子示意（来源：Pixabay）

近日，来自伊利诺伊大学的研究小组有了新的发现，他们借助飞秒级纳米成像技术已经观察到了碳纳米点群中优劣发射体的形态和分布，下一步将优质发射体从中筛选出来便可以替代现有的金属量子点。

目前，他们的这项研究成果已经发表在 PNAS 上。

飞秒级纳米成像技术让碳纳米点得以被发现

伊利诺伊大学香槟分校和巴尔的摩县特拉华大学的研究人员，通过伊利诺伊州贝克曼高级科学技术研究所的合作项目走到了一起，进行共同研究。

“在进行这项研究之前，我们不知道是不是所有的碳纳米点都只是一般发射体，亦或是，里面既有好的发射体也有坏的发射体。” 领导这项研究的伊利诺伊大学化学教授 Martin Gruebele 表示。“但我们可以确定的是，我们一旦找到一种方法来证明其中的发射体有好有坏，那么我们一定可以从中筛选出好的发射体。” 他补充说。

这也就意味着，想要确定碳纳米点群中发射体的好坏与否，首先需要做的是能够看到它们。

但这面临着两个巨大的挑战：其一，这些碳纳米点太过微小，直径小于 10nm；其二，当被激发时它会在数皮秒内发出光。换言之，碳纳米点体积太小、激发太快，以至于在空间和时间这两个维度都难以捕捉观察到。

于是，他们便采用光学的方式来激发碳纳米点，对单点中的电子 - 声子动力学和两个碳点之间的纳米尺度热传输进行成像。用扫描隧道显微镜尖端作为光学激发态的探测器，通过电子隧道的光学阻挡，记录 0.1–500 皮秒（ps）时间范围内的载流子动力学影像。

他们还成像了单个碳点中的光子与金中的传导电子的耦合，作为两个相邻碳点之间的超快能量转移机制。激发态的电子密度从整体迁移到分子级别（∼1nm²）的表面缺陷，然后将单个点的非均匀弛豫到长寿命荧光态或回到基态。

“如果使用先前的单分子吸收扫描隧道显微镜，则只能在没有时间分辨率的情况下对激发态进行成像，显然这是行不通的。”Gruebele 说，“然而，至关重要的一点，在这项研究中我们使用了飞秒级纳米成像技术，它通过结合飞秒时间分辨率和纳米空间分辨率来记录处于激发态的量子点。”

依托这种飞秒级纳米成像技术，Gruebele 团队通过研究观察发现：其能量激发存在两种方式：其一，直接发出荧光；其二，先以热能的形式释放，然后有可能会产生荧光。

图 | 单个碳点和碳点之间能量流动的飞秒级纳米成像（来源：Phys.org）

如上图所示（图中白色比例尺长度为 5nm），左侧代表的是在普通扫描隧道显微镜的成像下，碳纳米点只是一个没有任何特征的点；右侧代表的是，在时间分辨单分子吸收扫描隧道显微镜的成像下，激光激发最初分布在整个碳纳米点上，但在数皮秒内，激发迁移到表面高度局部化的区域，这些过程全部都被记录了下来。

筛选出完美碳纳米点有望取代金属量子点

研究人员随后进行了更深入地观察，Gruebele 表示，“我们发现，在大量的碳纳米点中，大约有 20% 的碳纳米点发光较强，堪称完美的发射体，而剩下大约 80% 的碳纳米点在放出热量之前具有很短的发光状态。” 换言之，碳纳米点群中既有好的发射体也有坏的发射体，其中优劣占比约为 1:4。

他还指出，“这非常关键，因为我们看到了其中存在不同的种群，这也就意味着，如果通过某种方法进行筛选，只选择完美的发射体，那就可以对碳纳米点种群进行净化和提纯。”

至此，第一步完成。他们成功观察到了碳纳米点并分析出了碳纳米点群中的发射体的优劣分布。

借助飞秒级纳米成像技术，研究人员在观察中还有其他重要发现，比如为何一些碳纳米点永不发光。这预示着，研究人员或许有希望通过人工合成的方式制造出完美的发射体。

“金属量子点经常被用来监测活体细胞的健康状况，然而这还远远不够理想，选择无毒、经济的碳纳米点将会是一个重大的进步。我们现在借助飞秒级纳米成像技术已经收获了很多新的发现。”Gruebele 说，“接下来，是通过一些方法筛选出碳纳米点群中的完美发射体，还是通过合成的方式制造出完美发射体，这只是一个选择题。”

Gruebele 教授团队这项研究使得碳纳米点替代金属量子点已经迈出了成功的一步，接下来，通过对碳纳米点进行筛选、分离，或者是直接合成进而取代目前昂贵有毒的金属量子点指日可待。