Exploring the Emissive States of Heteroatom-Doped Graphene Quantum Dots

量子点 石墨烯 光致发光 杂原子 材料科学 兴奋剂 掺杂剂 电子结构 化学 纳米技术 光电子学 计算化学 有机化学 戒指(化学)
作者
Guancao Yang,Chuanli Wu,Xiaojun Luo,Xiaoyan Liu,Yuan Gao,Ping Wu,Chenxin Cai,S. Scott Saavedra
出处
期刊:Journal of Physical Chemistry C [American Chemical Society]
卷期号:122 (11): 6483-6492 被引量:125
标识
DOI:10.1021/acs.jpcc.8b01385
摘要

The photoluminescence (PL) emission states of heteroatom-doped graphene quantum dots (GQDs) remain unknown, particularly the assignment of the low-energy excitation band (more than 330 nm). To address these issues, this work synthesized three different types of GQDs: undoped GQDs (UGQDs), nitrogen-doped GQDs (NGQDs), and boron-doped GQDs (BGQDs), with similar sizes, chemical compositions (types and compositions of surface functional groups), and defects using a constant potential electrolysis method. The PL emissive states in these GQDs and the effects of the dopant heteroatom on the PL were revealed based on the combination of spectroscopic methods and theoretical calculations. The results indicated that the GQDs exhibit multiemissive centers for the PL emission mechanism. An excitation-independent PL emission band (band I) results from a high-energy transition originating from the quantum confinement of the carbon core (carbon π–π* transitions in sp2 domain), and an excitation-dependent PL emission band (band II) originates from a low-energy edge band transition, which is attributed to radiative recombination associated with both the n−π* transition of N/O/B-containing groups and the π–π* charge transfer between the carbon core and the edge of the GQDs. Moreover, the PL emission maxima (both bands I and II) for NGQDs and BGQDs show a blue shift and a red shift, respectively, relative to UGQDs because of the doping that led to the alteration in the electronic structure and the distribution of molecular orbitals in the GQDs. These results clarify previous inconsistencies regarding the PL emission mechanism and the electronic properties of GQDs and can thus provide a foundation for the application of doped GQDs in electronics, photonics, and biology.
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