碳納米管 (CNT) 因其高導電性、化學穩定性、重量輕和高強度等獨特性質而在許多領域中需求量巨大。由于其在可見光下的超黑特性和紅外光的光熱效應，它們在光學相關領域也備受關注。最近，借助二氧化硅光子晶體 (PC) 涂層，通過簡單的液相法實現了可見光下 CNT 的著色。然而，尚未研究 CNT 對紅外和紫外 (UV) 波段的光致發光 (PL) 特性等響應調制。在此，將硅烷功能化碳點 (SiCD) 引入二氧化硅 PC 中，成功實現了 CNT 纖維 (CNTFs) 的結構著色和 PL。在 SiCDs 液滴的幫助下，還實現了單個 CNT 和懸浮 CNT 網絡 (SCNTNs) 的光學和熒光可視化。該類SiCDs修飾SiPCs包覆CNTFs（SiCDs@SiPCs-CNTFs）表現出上/下轉換PL響應，激發光源可以是紫外光、可見光和近紅外激光。結構著色和新PL性能的開發將推動PL碳雜化材料在智能顯示、智能紡織、防偽等許多領域的廣泛應用。
圖 1. SiCDs@SiPCs-CNTFs 制備示意圖。a) 通過簡單浸涂法制備 SiCDs@SiPCs-CNTFs 示意圖。b) SiCDs@SiPCs 合成過程示意圖。c) 結構彩色和 PL SiCDs@SiPCs-CNTFs 示意圖。
圖 2. SiCDs@SiPCs-CNTFs 的形貌表征。a–c) CNTFs (a)、SiCDs 涂覆的 CNTFs (b) 和 SiCDs@SiPCs-CNTFs (c) 的掃描電子顯微鏡 (SEM) 圖像。d) 不含 SiCD 的二氧化硅 PC 的透射電子顯微鏡 (TEM) 圖像。(e) SiCDs@SiPCs 的 TEM 圖像。SiCDs 溶液的添加量（5% 負載分數）為 3 mL。f) 圖 2e 中所示的 SiCDs@SiPCs 表面形貌的 TEM 圖像。可以清楚地觀察到添加 SiCD 之前的原始二氧化硅 PC 的邊緣。
圖3. SiCDs@SiPCs-CNTFs的結構色和PL特性。a-c) 不同直徑的SiCDs@SiPCs涂覆的藍色（a）、綠色（b）、粉色（c）CNTF的照片。d-f) 365 nm紫外照射下藍色（d）、綠色（e）、粉色（f）SiCDs@SiPCs-CNTFs的照片（a-c）。它們表現出不同的結構色，但由于添加了相同的SiCD和不同尺寸的二氧化硅PC，因此都發出熒光。g-k) 四種典型結構色SiCDs@SiPCs-CNTFs的光學圖像（g-j）和CIE坐標（k）：藍色（g）、綠色（h）、黃色（i）和紫色（j）SiCDs@SiPCs-CNTFs，分別對應210、245、280和305 nm的二氧化硅PC。
圖 4. SiCDs 和 SiCDs@SiPCs 的光學特性。a) 不同負載率（分別為 100%、50%、5%、0.5%）的 SiCDs/乙醇溶液的紫外可見吸收光譜。b) 負載率為 5% 的 SiCDs 溶液在 360 至 560 nm 處激發的 PL 發射光譜。插圖顯示了可見光（左）、254 nm 紫外線照射（中）和 365 nm 紫外線照射（右）下 SiCDs 溶液的照片。c) 負載率為 100% 的 SiCDs 溶液在 440 至 560 nm 處激發的 PL 發射光譜。插圖顯示了可見光（左）、254 nm 紫外線照射（中）和 365 nm 紫外線照射（右）下 SiCDs 的照片。d) 740 至 900 nmNIR 飛秒激光激發的 SiCDs@SiPCs-CNTFs 的雙光子發射光譜。 e) 二氧化硅光子晶體、SiCDs@SiPCs 和 SiCDs 的 FTIR 光譜。f) 有和沒有 SiCDs 修飾的二氧化硅光子晶體的平均直徑。插圖顯示了 SiCDs@SiPCs-CNTFs 的光學圖像和相應的二氧化硅光子晶體直徑。
圖 5. SiCDs@SiPCs-CNTFs 的應用。a) SiCDs@SiPCs-CNTFs 作為紫外線指示劑的示意圖。b–d) 在不同環境下繡有 SiCDs@SiPCs-CNTFs 的 T 恤：b) 自然陽光環境；c) 紫外線暴露的陽光環境；d) 紫外線暴露的黑暗環境。（d）中的插圖顯示了繡有 SiCDs@SiPCs-CNTFs 的圖案的放大視圖。e) 在紫外線暴露的環境中，纏繞在線軸上的 SiCDs@SiPCsCNTFs 的光學圖像。f) 在自然陽光環境下，在黑色棉布上繡有 SiCDs@SiPCs-CNTFs 的帆船圖案（f）呈現黃色結構色；在紫外線暴露的黑暗環境中發出熒光。
圖 6. SiCDs 納米液滴輔助 CNT 和 SCNTN 的光學可視化。a、b) 在沉積 SiCDs 納米液滴之前 (a) 和之后 (b) 的 SCNTN 的光學圖像。在沉積 SiCDs 納米液滴之前，SCNTN 是不可見的。c) 用固化的 SiCDs 裝飾的 SCNTN 的光學圖像。固化后，顆粒在顯微鏡下變黃。d) 暴露在紫外線下發出熒光的 SCNTN 的光學圖像。e) 沉積 SiCDs 液滴的 SCNTN 在 561 nm 光激發下的激光掃描共聚焦顯微鏡圖像。f-h) 用 SiCDs 液滴裝飾的懸浮 CNT 在 405 nm (f)、488 nm (g) 和 561 nm (h) 光激發下的激光掃描共聚焦顯微鏡圖像。i、j) 用 SiCDs 液滴裝飾的 SCNTN (i) 和 CNT 束 (j) 的 SEM 圖像。納米液滴接近球形，在 CNT 上具有一定的接觸角。k,l) 用 SiCD 液滴裝飾的 CNT 束的 TEM 圖像。l 中的圖像是 k 中接觸角的放大視圖。
相關科研成果由清華大學Rufan Zhang課題組于2024年發表在Advanced Optical Materials（https://doi.org/10.1002/adom.202400282）上。原文：Structural Coloration and Up/Down-Conversion Photoluminescence of Carbon Nanotube Fibers for Ultraviolet Detection
原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adom.202400282
轉自《石墨烯研究》公眾號
