有机碳点（CDs）作为一种新型纳米材料，因其卓越光电性能和生物相容性，在光电、传感、生物成像和能源转化等领域均展现出广泛应用潜力。光电性能主要由激子（电子-空穴对）决定，而光催化等能源领域应用主要是由自由载流子决定，这意味着碳点系统中存在着独特的激子和自由电荷载流子的共存机制，但是该共存机制一直未被充分理解。
方佳文副教授在前期工作基础上（Nature Communications，10.1038/s41467-020-18583-6；Angewandte Chemie International Edition，10.1002/ange.202305817），通过水热合成了常规的碳点，利用稳态光谱、时间分辨荧光光谱（图1）确认了两类能级差异明显的碳点类型。利用超快瞬态吸收光谱和电子顺磁共振（EPR）等技术，发现碳点的尺寸差异能够触发材料界面效应，推动激子从束缚态向自由载流子态转变。研究结果表明，在小尺寸、高能级碳点被激发后，激子能够迅速传递至较大尺寸、低能级碳点，触发界面效应并引发激子解离，并在4皮秒内生成自由载流子（图2）。这一研究结果表明，通过控制碳点的尺寸分布和选择合适的激发波长，可以有效提升碳点在光电转换和能量收集等领域的潜在应用价值。
该研究从“尺寸不均匀性”视角出发，揭示了碳点尺寸不均匀性在促进激子解离和自由载流子生成过程中的关键作用，为碳点在光电器件、能源转化等领域的性能优化提供了全新思路。上述研究结果以 “尺寸不均匀性促进碳点中的激子解离”（Size Inhomogeneity Facilitates Exciton Dissociation in Carbon Dots）为题，发表在纳米科学研究领域顶级期刊《Nano Letters》上。该工作由广州大学和河南师范大学、陕西科技大学单位合作完成，广州大学为第一署名单位。本研究得到了国家自然科学基金青年基金、广州大学“2+5” 学科与科研创新平台支持。
文章链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.4c06420
图1. 利用稳态光谱和时间分辨光谱确认碳点存在两类碳点。
图2. 利用超快光谱和EPR确认激子解离程自由电子。
