碳量子点的性能中最独特之处在于荧光，具有窄带可调谐发射、受尺寸大小影响的光致发光、上转换光致发光、吸收系数大、受尺寸大小影响的吸收性、激发光谱宽、多光子激发、易于官能化、生物相容性好、在极性溶剂中溶解性好、抗光漂白、无光闪烁、荧光稳定性高、毒性低等特性。碳量子点具有与量子点相似的纳秒寿命和双光子截面。在不同的纳米粒子上形成碳量子点壳的技术已问世[阿比拉斯（Abhilash），2010]。

3.2.2.1 光学特性

1.荧光或光致发光

当荧光材料吸收光时，一些电子从基态迁移到一个更高的能量激发态。这样就留下了一个曾经有电子的空点，这个空点称为空穴。电子和空穴都可以迁移，但是当它们再次相遇时，电子返回到基态，填补空穴并像光一样释放出多余的能量。光的颜色与电子激发态和基态之间的能差一致；在普通材料中，这些能级是材料自身的特性。因此，常态下，发出荧光红的材料总是发出红色而不会发出蓝色荧光。例如：要使荧光灯发出不同的颜色，需要使用不同的荧光材料。

但在纳米级别上却并非如此。量子点是如此之小，其直径一般小于10nm，所以其点的大小可以控制电子的能级。因此，其颜色是由尺寸而非材料来控制的。

虽然对硒化镉（CdSe）量子点已进行了广泛研究，但当提及量子点时，出现在研究者脑海里的又是什么呢？是获得量子荧光的唯一途径。碳量子点的发现及之前对硅量子点的研究工作表明，量子点的工作方式具有更丰富的多样性。

碳量子点的机制与硒化镉的不同，一般认为是起源于带隙。这意味着对硒化镉（CdSe）来说，材料的半导体性质对如何发光是非常重要的，但对碳来说，是其他方面在起作用。制备碳量子点有多种方法，如激光烧蚀石墨。这些颗粒形成聚集体，没有荧光，用硝酸处理后的颗粒也没有荧光。然后研究人员用简单的有机分子包覆这些颗粒，钝化表面，随即产生了明亮的荧光[杨圣幍（Sheng-Tao Yang），2009]。

材料的光致发光具有有趣的波长依赖性。在不同的激发波长照射下，碳纳米点显出从蓝到红的可调谐发光范围。由于多光子过程产生反斯托克斯式（anti-Stokes-type）发射，碳量子点具有受尺寸大小影响的光致发光及上转换光致发光特性。碳材料具有的强大的且可调谐的发光性质进一步加强了其特性的多样性，尤其是碳量子效应无论从根本上还是从技术上都有着十分重要的地位[伯利诺斯（Bourlinos），2011]。光学行为不仅反映了尺寸不同的颗粒样品的效应，也反映了每个碳量子点不同的发射点的分布。从机械原理上看，光致发光是由于表面能陷阱的存在，使其在表面钝化时产生发射性。研究发现，为了在表面钝化时使碳量子点具有强烈的光致发光性，其表面必然产生发射能量陷阱的量子限制效应[那伽普拉萨德·普瓦达（Nagaprasad Puvvada），2012]。

简单的有机分子，如二胺端低聚聚乙烯（乙二醇）和聚乙烯（丙酰乙烯-亚胺-共乙撑亚胺），其自身没有发光活性，但当它附着于碳量子点时，碳量子点就具有了发光活性。因此，碳量子点的表面是其发光能力的来源，表面钝化也是其具备发光能力的关键因素。这意味着碳表面，而非整个碳点，是碳量子点至关重要的部分。表面钝化多少有些复杂，至少在机械原理上，很难准确定位和理解。一般来说，钝化会使表面产生变化，如表面终端原子在有机物附着后会产生变化[伯利诺斯（Bourlinos），2008]。

此外，光子发射性不依赖于量子点的材料，而取决于其大小。一般情况下，晶体的尺寸越小，带隙越大，最高价带和最低导带之间的差异也越大。因此，需要更多的能量来激发量子点，当它返回至基态时就会释放更多的能量。以上论述认为在激发过程后，光发射的频率越高，量子点的尺寸就越小。由此产生的颜色从红色转变为蓝色。量子点最独特的性质是量子限制，其改变了能带边缘附近的态密度（DOS）。在量子点众多依赖于尺寸的特性中，有两个是特别重要的。第一个是当纳米粒子的直径低于一个特定值时，带隙能量蓝移（增加），特定值取决于半导体类型，这就是所谓的量子限制效应。这种效应使能隙可随量子点的大小来进行调整。带隙能量也取决于半导体材料的构成和尺寸。第二个是离散性，由于量子点中的原子比块体中的数量少，其能态是分立的，这导致各能级的电子态呈现出更类似于原子的波函数[贝拉等（Bera et al.），2010）]。从机械原理上看，碳量子点的荧光发射性归因于碳粒子表面捕获的电子和空穴的辐射复合，小型碳纳米颗粒中的较大表面（相对于粒子体积）和不同表面能的捕获点因表面钝化剂的使用而具有了稳定性。碳量子点的光致发光性归因于量子效应及碳量子点表面不同的发射陷阱。光致发光是碳量子点最迷人的特性之一。对小尺寸碳量子点光学性质的研究是有争议的，因为光致发光的机制还不能确定，仍需要进一步梳理。

碳量子点光致发光有意思的一个特点是发射波长和强度的依赖性，不确定其原因究竟是不同尺寸的纳米粒子（量子效应）和/或碳量子点表面不同的发射陷阱，还是目前未知的某种机制。

光学行为的产生并不一定是由于样品中不同大小的粒子，也可能是由于每一个碳量子点上不同发射点的分布。李等（Lietal.，2012）的研究表明，用马来酸酐（MAH）制备的碳量子点具有4.1eV的深紫外线发射性能（这是所有基于溶液制备量子点方法中的最短发射波长）。碳量子点的发光机制目前尚不清楚。然而，有观点认为它可能产生于碳激发、发射陷阱量子限制效应、芳香结构/含氧基团、自由锯齿点和/或边缘缺陷。

用溶液中的电子受体或电子供体分子可使碳量子点的光致发光被有效猝灭，这表明光激发的碳量子点是优良的电子受体和电子供体。

碳量子点的荧光性质依赖于其尺寸的大小，仅通过纳米晶体生长就可以按其应用所需来调谐。

2.多光子激发

当多个低能量光子“同时”到达荧光团时，通过与其发生相互作用，激发一个通常被一个高能量的光子激发的电子，此时观察到多光子激发（MPE）现象。碳量子点被紫外线和近紫外光激发时，显现出强荧光。

此外，在近红外光谱（800nm）或对长波长的光（500～1000nm）进行双光子激发时，硫化镉（CdS）显示出荧光。(www.daowen.com)

3.吸光度

碳量子点在紫外光区域显现出明显的光吸收特性，尾部延伸至可见光范围内且产生一条220～320nm的吸收带[李等（Li et al.），2012]。然而，在不同化学基团进行表面钝化后，碳量子点的吸光度增加至更长的波长。这是由于表面发射陷阱的存在或量子限制效应。碳量子点有sp²/sp³杂化碳对称结构，以及其碳结构的畸变表明碳量子点拥有共轭体系，这也许是其在紫外—可见光谱区具有吸收性的原因。

4.上转换光致发光

上转换光致发光（UCPL）是由于碳量子点具有电子受体和电子供体的特性，也是由于多光子激发。要解释碳量子点如何产生上转换光致发光（UCPL），需要建立一个能级结构模型[李等（Li et al.），2012]，其中上转换光致发光（UCPL）光谱可以视为一个反斯托克斯跃迁，如图3.3d所示。卡宾基态的多样性提供了p和s轨道的能级，这与p和s轨道间的能量差有关。其间，上转换过程中激发光和发射光之间的能量差接近1.1eV（霍夫曼认为能量差应低于1.5eV）。当一束低能量的光子在p轨道激发电子时，p电子将被激发至高能态，如最低空轨道（LUMO），然后将下降至低能量的状态。因此，当电子跃迁回到s轨道时，发射了上转换光致发光（UCPL）。s轨道上的电子也可以被激发，但只能发出一般的光致发光（图3.3a）。这就解释了上转换激发和发射光的区别在于，与p和s轨道之间的能量差有关的恒定能量。

图3.3 石墨烯量子点（GQD）的上转换光致发光 Copyright ⓒ.2012，Royal Society of Chemistry Courtesy Haitao Li et al.Jour-nal of Material Chemistry 2012.

5.无光闪烁

碳量子点具有无光闪烁的特性。闪烁特性并非坏事，但在某些应用中，一些量子点不时的闪烁倾向确实是个问题。据推测，碳量子点无光闪烁可能是由不同的发光机制造成的。碳量子点的这一属性无疑会激起更多的应用研究，因为这些量子点可应用于医学领域，而基于镉的量子点却不能[杰姆琴科（Demchenko），2013]。

碳量子点不同的发光机制所具有的优势已超越了传统类型的量子点。

3.2.2.2 光催化性

高纯度、高质量、具有优良的水分散性的结晶碳量子点，具有显著的下转换和上转换光致发光特性，在可见光照射下已证实具有高的光催化活性，在高效复合催化剂设计领域具有很大的潜力。李（Li，2010）的研究证明它们强大的可调谐光致发光特性使碳量子点可有效利用太阳光的全谱。有趣的是，碳量子点的光致发光特性用溶液中的电子受体或电子供体分子就能有效地猝灭，这表明光激发碳量子点是优良的电子供体和电子受体[萨利纳斯-卡斯蒂略（Salinas-Castillo），2013]。

3.2.2.3 化学惰性

化学惰性是指没有或极少与其他元素或化合物进行反应的能力，它主要取决于元素的化合价。元素与其他物质发生反应通常是因为它们要通过填满八隅体来满足它们的价态。但那些已有完整的八隅体的元素对其他元素显现出没有或很小的反应活性，且几乎不与其他元素发生反应。这被称为化学惰性。碳量子点具有化学惰性，因此其具有稳定性，也因此其可用于不同的应用领域。

3.2.2.4 水溶特性

依据其表面覆盖的材料，碳量子点表现出固有的、较低的两亲性[伯利诺斯（Bourlinos），2008]。此外，典型的碳量子点表面含有大量的羧基和羟基基团，从而赋予其优良的水溶性，以及易于与各种有机的、聚合的、无机的材料或生物材料发生后续官能化的适配性。