陈雷研发类石墨相的氮化碳(g-C3N4)量子点显示新材料

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近日，合肥工业大学材料学院陈雷教授与有关单位合作，采用热聚法合成了类石墨相的氮化碳(g-C3N4)材料，进而通过超声剥离制备了g-C3N4量子点，并成功制备了量子点显示器件，为下一代量子点显示技术新型材料的研发开辟了新方向。其研究成果发表在国际著名高水平学术期刊《今日材料》。

随着人工智能在虚拟增强现实领域的发展，对智能可穿戴与柔性显示技术的需求显著提升。目前，柔性显示技术主要被有机发光显示（OLED）主导，其有机材料的寿命、可靠性、成本一直面临着巨大挑战。如有机蓝色发光材料的衰减速度远比红光和绿光材料快，随着使用时间的增加，会造成显示器像素点之间的色差，甚至颜色失真。量子点显示（QLED）被认为是继有机发光显示之后的下一代显示技术，其色纯度高，色域宽，适合溶液制程，器件成本低，易于实现大屏幕、全彩色、柔性显示，但新型量子点显示技术的发展亟需开发新型量子点发光材料与器件。

氮化碳（C3N4）具有多种同素异形体，其中具有类石墨烯二维片层结构的C3N4（简称g-C3N4）最稳定。类石墨相的氮化碳不含金属，没有毒性，在地球中储量丰富，易于合成，并且具有良好的化学与热稳定性。类石墨相的氮化碳带隙约为2.7eV，使其具有优异的光学与电学特性。这些独特性能使类石墨相的氮化碳适于用作量子点显示（QLED）的蓝光发射中心。

该成果采用热聚法合成了g-C3N4粉末，然后利用超声剥离制备了g-C3N4量子点。研究表明，随反应温度升高，在颗粒表面观测到羟胺与半缩醛官能团，而采用氮气保护有助于减少g-C3N4粉末颗粒表面的氧化。利用氮气保护下在500℃合成的g-C3N4粉末制备的量子点具有最大石墨化碳与三嗪碳的比值，发光效率最高达到49.8%。

研究发现，在氮气气氛下合成样品，电子易于激发至p反键轨道；而在空气气氛下合成样品，电子易于激发至d反键轨道。在利用粉体剥离制备成量子点的过程中，电荷转移带、缺陷吸收带以及电子从激发态快速弛豫至基态的无辐射跃迁吸收带从激发光谱中消失，这些机理导致了g-C3N4量子点比g-C3N4粉体材料具有更高的发光效率。研究同时发现，发光效率与碳的存在形式有关。在目前，该团队以g-C3N4量子点作为发光层，采用溶液旋涂法成功制备出蓝色发光的QLED原型器件。

该成果为下一代QLED显示技术开辟了一个新的研究方向，并将激励更多面向OLED和QLED应用的无机发光材料探索研究。尽管g-C3N4量子点具有很多独特优点，但面向实际的产业化应用依然有许多性能指标需要进一步优化提升。与其它新兴技术（如钙钛矿纳米晶）相比，g-C3N4量子点在QLED的发光亮度、发光效率、色纯度、色彩饱和度等方面还需进一步提高，以满足下一代显示越来越高的图像质量要求。

该论文由合肥工业大学材料科学与工程学院、合肥工业大学光电技术研究院、中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家研究中心、广东省科学院广东省稀有金属研究所、合肥工业大学智能制造技术研究院多家单位共同完成。硕士研究生何良锐与费米为并列第一作者。材料学院陈雷教授和光电技术研究院胡俊涛副研究员为共同通讯作者。

《今日材料》（Materials Today）是Elsevier出版社的旗舰类期刊，也是材料研究领域的国际顶级期刊。在科睿唯安(Clarivate Analytics) Web of Science全球所有期刊影响因子（Impact Factor, IF）排名中，Materials Today高居第41位，其影响因子达到24.537。这是合肥工业大学首次以第一通讯单位在此期刊发表研究型论文。