超声辅助液相剥离的多色发光氮化硼量子点，可用作光电应用中的LED荧光粉

《Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry》：Ultrasonication-assisted liquid phase exfoliated multicolor emissive boron nitride quantum dots as LED phosphors for optoelectronic applications

本研究采用超声辅助液相剥离技术，通过改变溶剂（盐酸、硫酸、N-甲基吡咯烷酮）成功制备了多色发光的六方氮化硼量子点（BNQD），其荧光特性经XRD、FTIR等表征，并展现出在LED中的应用潜力。

　　本研究提出了一种利用超声波辅助液相剥离（LPE）技术制备多色发光氮化硼量子点（BNQD）的方法。氮化硼量子点的多色发光特性源于在反应过程中使用不同的溶剂。所采用的溶剂包括盐酸、硫酸以及N-甲基吡咯烷酮，分别制备出H-BNQD、S-BNQD和N-BNQD。这些BNQD具有广泛的光致发光范围和高亮度，显示出在光电器件中作为磷光材料的巨大潜力。研究通过X射线衍射（XRD）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、场发射扫描电子显微镜（FE-SEM）、高分辨透射电子显微镜（HR-TEM）、X射线光电子能谱（XPS）、紫外-可见光谱（UV-VIS）和光致发光（PL）等手段对制备的BNQD进行了全面表征，以确定其结构、表面化学性质、形貌、元素组成和光学特性。在紫外光（365 nm）照射下，制备的H-BNQD、S-BNQD和N-BNQD分别表现出强烈的白光、蓝光和绿光荧光。根据国际照明委员会（CIE）的色度坐标，这些BNQD的发光颜色分别落在白光、蓝光和绿光区域，表明其在发光设备中的应用前景广阔。使用多色BNQD来制造标准发光二极管（LED）极大地拓展了BNQD的应用价值。不同BNQD所释放的颜色会随着激发波长的变化而变化。例如，在440 nm和460 nm激发下，H-BNQD分别发出青蓝色（CIE 0.22, 0.45）和绿色（CIE 0.28, 0.58）；S-BNQD在460 nm激发下发出绿色（CIE 0.23, 0.59）；而N-BNQD在290 nm激发下发出黄色（CIE 0.37, 0.46）。这些特性表明，BNQD在LED等发光技术中具有广泛的应用潜力。

多色荧光量子点近年来因其在多个领域的应用潜力而受到广泛关注。零维量子点具有可调控的特性，使其适用于更广泛的应用场景，尤其是在光学设备中，随着二维材料尺寸进一步缩小到纳米尺度，量子点的性能得到了显著提升。例如，由碳氮化物、石墨烯、过渡金属氧化物、氮化硼和黑磷等二维材料制成的知名量子点已被广泛研究，具有个性化尺寸和形状、多样化的发光特性以及高量子产率。这些量子点在生物成像、太阳能电池、LED和传感器等多个领域表现出良好的应用前景。由于其可调节的光致发光行为、低毒性以及优异的生物相容性，量子点受到了越来越多的关注。在多个应用领域中，如荧光探针、荧光墨水、生物成像、太阳能电池、光催化行为和发光设备，量子点都显示出巨大的未来潜力。

然而，在量子点的制备过程中，许多传统的半导体量子点（如CdS、ZnS、ZnSe和CdTe等）会引入特定的重金属元素，这不仅增加了制备的复杂性，还带来了高毒性的问题，限制了其在生物成像、医疗诊断等领域的广泛应用。为了实现量子点在多领域的应用，研究人员更加关注无金属量子点的制备，这些量子点具有低毒性、良好的生物相容性以及对环境友好的特性。由于其无金属结构和出色的光学性能，六方氮化硼量子点在光电子领域引起了广泛关注。六方氮化硼（h-BN）是一种具有六边形结构的无机化合物，其中氮和硼的原子数量相等。六方氮化硼纳米片是石墨烯的类似物，通过将堆叠的六方氮化硼纳米片尺寸缩小，可以制备出氮化硼量子点。与任何六方氮化硼纳米结构相比，氮化硼量子点展现出更优异的特性和应用前景。因此，研究重点放在开发能够合成高质量氮化硼量子点的方法上。

超声波辅助液相剥离（LPE）技术在多种研究领域中被用于生成量子点。超声波是一种灵活的工具，广泛应用于材料的分解、表面清洁、均质化和除气等过程。在有机溶剂中进行的超声波剥离常用于剥离多层材料并形成二维纳米结构。通过类似LPE技术制备的多种二维材料已被发现具有光致发光特性。这些技术通常假设有机溶剂作为分散介质，而二维纳米结构则是由多层材料通过剥离形成的。不同溶剂对剥离后纳米材料的缺陷形成、表面化学和电子结构的影响，可能导致材料具有不同的发光特性。通过LPE制备的分散体系的光学特性不仅来源于二维纳米结构，还来源于通过超声波处理形成的氮化硼量子点。在这些实验中，通常认为只有多层材料的片状结构受到超声波的影响，而有机溶剂分子则不受影响。然而，在本研究中，超声波对有机溶剂分子产生了影响，这为研究提供了新的视角。液相剥离是一种标准方法，用于在多种溶剂中分散多层二维材料的胶体颗粒。其典型方法包括将二维材料浸入特定溶剂中，并对所得溶液进行超声处理。由于其可扩展性，二维材料的液相剥离技术近年来引起了众多研究人员的兴趣。超声波处理的液相剥离是制备量子点的一种极具吸引力的方法，具有操作简便、生产成本低以及环境影响小等优势。通过六方氮化硼的液相剥离制备出的氮化硼量子点，是从剥离后的氮化硼悬浮液中提取出来的。

以磷光材料为基础设计的LED已被证明在近年来的液晶显示背光和多色显示方面具有经济性和应用潜力。特别是磷光转换白光LED，将代表日常生活中使用的新型照明源。通常，白光LED采用紫外光激发，并结合红绿蓝磷光材料或黄色磷光材料来实现白光发射。由于其低能耗、高照明效率和长寿命，LED被认为是未来最有前景的光源之一。LED因其高发光效率、出色的亮度和较低的能耗，已成为未来世代固态发光技术的重要候选材料。随着LED在多个领域的广泛应用，发光材料的需求也在不断增长。这些材料在近年来的全彩显示、激光和指示器等应用中得到了深入研究。

本研究通过使用多种溶剂，包括盐酸、硫酸和N-甲基吡咯烷酮，成功制备了具有多色发光特性的氮化硼量子点。这一发现为在有机溶剂中使用超声波进行研究提供了新的物理视角。有机溶剂不仅有助于量子点的形成，还能促进光学活性材料的生成。当这些有机溶剂在超声波作用下发生反应时，六方氮化硼被转化为具有光致发光特性的量子点，其发光颜色取决于所使用的溶剂和激发波长，从而产生白光、蓝光、青蓝色、绿光和黄光等多种颜色。这些多色发光特性在LED等发光技术中展现出广阔的应用前景。高质量氮化硼量子点的制备不仅影响LED的性能，还可能为其他光学设备提供新的材料选择。这些氮化硼量子点被发现由氮元素组成，并在紫外光照射下呈现出多种颜色的发光现象。

本研究中所使用的材料包括硼酸和尿素，它们被混合以生成六方氮化硼（h-BN）。尿素（CO(NH?)?）和分析纯的硼酸（H?BO?，99.5%）均购自印度的Sigma-Aldrich公司。盐酸（HCl）、硫酸（H?SO?，98%）以及N-甲基吡咯烷酮（NMP，99.5%）则从印度的SRL Chemicals公司获得。所使用的水源为去离子水。通过这些材料的混合和后续处理，成功制备出六方氮化硼粉末样品。这一过程采用了传统的合成方法，即按1:2的比例混合硼酸和尿素，作为硼的来源。

X射线衍射（XRD）分析用于评估材料的结构和相态。图2展示了H-BNQD、S-BNQD和N-BNQD的XRD图谱。在图2中，H-BNQD、S-BNQD和N-BNQD在2θ值为14.12°和27.8°处显示出显著的衍射峰，这些峰与六方氮化硼的（001）和（002）晶面相关，与六方氮化硼的数据源（JCPDS no. 85–1068）有显著的相关性。H-BNQD和N-BNQD在43.91°处显示出较宽的衍射峰，这与六方氮化硼的（101）晶面相关。XRD分析的结果表明，这些BNQD在结构上保持了六方氮化硼的基本特征，同时由于剥离和超声波处理的影响，其晶格结构可能有所变化。

此外，本研究还采用了其他多种分析手段对BNQD进行了表征。傅里叶变换红外光谱（FTIR）用于分析材料的表面化学性质，紫外-可见光谱（UV-VIS）用于研究材料的光学吸收特性，光致发光（PL）光谱则用于评估材料的发光性能。高分辨透射电子显微镜（HR-TEM）用于观察材料的微观结构，X射线光电子能谱（XPS）用于分析材料的元素组成。这些表征结果表明，BNQD在结构、化学性质和光学特性上均表现出良好的质量，且其发光性能与所使用的溶剂和激发波长密切相关。

通过本研究的实验结果可以看出，BNQD的多色发光特性不仅取决于其自身的结构，还受到溶剂种类和激发波长的影响。不同的溶剂在剥离过程中可能对材料的表面化学和电子结构产生不同的影响，从而导致不同的发光颜色。例如，盐酸作为溶剂时，BNQD在紫外光照射下表现出白光；硫酸作为溶剂时，BNQD表现出蓝光；而N-甲基吡咯烷酮作为溶剂时，BNQD表现出绿光。此外，当激发波长为440 nm和460 nm时，H-BNQD分别发出青蓝色和绿色；S-BNQD在460 nm激发下发出绿色；而N-BNQD在290 nm激发下发出黄色。这些发光特性表明，BNQD在不同应用条件下具有高度的可调性，这为其在发光设备中的广泛应用提供了可能。

本研究的结论表明，通过超声波辅助液相剥离技术，成功合成了具有多色发光特性的BNQD。这些BNQD在结构、表面化学和光学特性上均表现出良好的质量，且其发光性能与所使用的溶剂和激发波长密切相关。XRD、FTIR、UV-VIS、PL、HR-TEM和XPS等分析手段对BNQD进行了全面表征，进一步验证了其性能和结构。制备的BNQD在紫外光照射下表现出激发波长依赖的光致发光特性，其发光颜色不仅与溶剂种类有关，还受到激发波长的影响。这种可调性使得BNQD在LED等发光技术中具有广泛的应用前景。此外，有机溶剂在剥离过程中对材料的表面化学和电子结构产生影响，这为研究提供了新的视角。通过本研究，不仅实现了BNQD的高效制备，还为未来在光电器件中的应用奠定了基础。

本研究的作者贡献声明指出，Sankeetha Sasikumar负责撰写和编辑论文、进行实验设计、数据收集与分析、可视化、验证、软件使用、方法学研究、实验调查和数据管理，同时提出了研究概念。Arulmozhi Rajaram则负责对研究进行监督。研究的发表声明表明，作者们声明没有已知的与本研究相关的竞争性财务利益或个人关系。最后，研究的致谢部分感谢了纳米技术研究中心（NRC）、SRM中央仪器设施（SCIF）、SRM科学与技术学院以及Easwari工程学院为本研究提供了必要的实验设备和资源。这些支持对于本研究的顺利进行起到了关键作用。

综上所述，本研究通过超声波辅助液相剥离技术成功制备了具有多色发光特性的氮化硼量子点，为未来在发光设备中的应用提供了新的可能性。BNQD的发光特性不仅与溶剂种类有关，还受到激发波长的影响，这种可调性使其在多种应用场景中具有广泛的价值。通过多色BNQD的制备，不仅可以拓展其在LED等发光技术中的应用，还为其他光学设备提供了新的材料选择。本研究的结果表明，BNQD在结构、表面化学和光学特性上均表现出良好的质量，这为其在光电子领域的应用奠定了坚实的基础。同时，研究还强调了无金属量子点在生物相容性和环境友好性方面的优势，为未来在生物医学和环保领域的发展提供了新的思路。通过本研究，我们不仅掌握了BNQD的制备方法，还对其性能和应用前景有了更深入的理解。这些成果为未来在光电器件、生物成像和环境友好材料等领域的研究提供了重要的参考。