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近日，中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院固體物理研究所研究員徐文課題組與西南大學(xué)合作，利用太赫茲時(shí)域光譜（THz TDS）技術(shù)，探究熒光碳量子點(diǎn)（CQDs）的光電特性，發(fā)現(xiàn)在80-280 K溫度范圍內(nèi)，紅光熒光量子點(diǎn)（R-CQDs）在0.2-1.2 THz頻段為光絕緣體（即對THz光全透），而藍(lán)光熒光量子點(diǎn)（B-CQDs）隨THz頻率、溫度的增加出現(xiàn)絕緣體-半導(dǎo)體轉(zhuǎn)變。相關(guān)研究成果以O(shè)ptically induced insulator-to-semiconductor transition in fluorescent carbon quantum dots measured by terahertz time-domain spectroscopy為題，發(fā)表在Carbon上。

碳量子點(diǎn)是一種零維碳基材料，由于其優(yōu)良的光電學(xué)性能和無環(huán)境污染制備技術(shù)而受到關(guān)注，有望成為新一代照明、顯示器件的基礎(chǔ)材料。在器件應(yīng)用中，CQDs通常被制備成固體粉末或薄膜，其光電特性與溶液中的CQDs存在較大差異。因此，對碳量子點(diǎn)粉末光電特性的研究可為碳量子點(diǎn)光電器件的制備提供重要的材料物理信息。THz TDS技術(shù)可無接觸地測量材料光電導(dǎo)率及相關(guān)電輸運(yùn)參數(shù)，可應(yīng)用于難以制備電極的納米光電材料研究。

研究人員制備了在紫外光照射下分別發(fā)射藍(lán)色熒光（B-CQDs）和紅色熒光（R-CQDs）的兩種熒光碳量子點(diǎn)溶液，通過滴樣干燥獲得粉末樣品。樣品表征研究發(fā)現(xiàn)，與B-CQDs相比，RCQDs具有更多吸附于碳核的C=O、-COOH基團(tuán)和N相關(guān)的基團(tuán)。這些基團(tuán)對CQDs的光學(xué)特性（如光熒光、紅外吸收、THz響應(yīng)等）產(chǎn)生影響。在80-280 K溫度范圍內(nèi)，研究人員測量了兩種樣品在0.2-1.2 THz頻譜范圍的透射率，發(fā)現(xiàn)R-CQDs在測量頻譜范圍內(nèi)的THz光透射率約為1，對應(yīng)的光電導(dǎo)趨于0，表現(xiàn)為光絕緣態(tài)行為。此效應(yīng)產(chǎn)生的主要原因是R-CQDs的表面基團(tuán)形成強(qiáng)烈的載流子束縛。然而，B-CQDs的THz光透射率在低頻接近1，隨著頻率、溫度的增加而逐漸下降，表現(xiàn)為由絕緣態(tài)到導(dǎo)電態(tài)的轉(zhuǎn)變。此外，通過THz透射譜，研究人員獲得了不同溫度下B-CQDs光電導(dǎo)的實(shí)部和虛部，經(jīng)Drude-Smith公式擬合導(dǎo)出B-CQDs的關(guān)鍵物理參數(shù)，并深入研究了這些參數(shù)的溫度依賴關(guān)系。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，B-CQDs的導(dǎo)電態(tài)為半導(dǎo)體態(tài)，存在較強(qiáng)的載流子局域化效應(yīng)，其電子散射主要由雜質(zhì)、聲學(xué)聲子、光學(xué)聲子散射引起。

該工作首次將THz TDS技術(shù)應(yīng)用于熒光碳量子點(diǎn)的研究，為碳量子點(diǎn)粉末關(guān)鍵物理參數(shù)的實(shí)驗(yàn)測量提供了新方法，有助于深入了解碳量子點(diǎn)的基本物理特性。同時(shí)，研究中觀測到熒光碳量子點(diǎn)在THz頻段的絕緣-半導(dǎo)體轉(zhuǎn)變這一物理現(xiàn)象，表明碳量子點(diǎn)可應(yīng)用于THz光透射的調(diào)控，制備新型THz器件。