與二維石墨烯相比，零維石墨烯量子點(diǎn)（GQDs）具有許多不同的特性，如強(qiáng)熒光、非零帶隙和具備溶液加工特性等。GQDs還具有生物兼容性好和毒性低的優(yōu)點(diǎn)，因而在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。由于邊緣修飾可有效調(diào)節(jié)納米GQDs材料的性能，GQDs的邊緣效應(yīng)研究受到了學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注。目前，GQDs的制備方法主要分為三大類(lèi)：自上而下法、自下而上法、化學(xué)法。

本文詳細(xì)介紹了GQDs獨(dú)特的光學(xué)、電學(xué)、熱學(xué)和磁學(xué)性能等特性，總結(jié)了異原子摻雜和復(fù)合材料構(gòu)筑等GQDs功能化的研究進(jìn)展，討論了GQDs在光學(xué)、電學(xué)、光電子、生物醫(yī)藥、能源、農(nóng)業(yè)等新興交叉領(lǐng)域的應(yīng)用，分析了GQDs納米材料的巨大潛力及未來(lái)發(fā)展方向。

01?石墨烯量子點(diǎn)的基本物理特性

圖1?不同尺寸的碳材料（左）及其與能量圖相關(guān)的態(tài)密度（右）

新材料具有新的物理和化學(xué)性質(zhì)，從而衍生出新的技術(shù)與應(yīng)用。例如，金剛石作為最古老的碳材料，其超高硬度和低介電常數(shù)等也一直吸引著不同領(lǐng)域的科學(xué)家。20世紀(jì)50年代以來(lái)，碳材料的研究熱潮，尤其是富勒烯材料的發(fā)現(xiàn)，吸引了全世界眾多研究者的關(guān)注。其后，日本科學(xué)家基于電弧放電法發(fā)現(xiàn)了一種新的一維碳材料——碳納米管，其高電子遷移率、手性依賴(lài)性和其他獨(dú)特性質(zhì)引起了極大的研究興趣。21世紀(jì)石墨烯的發(fā)現(xiàn)為認(rèn)識(shí)二維材料優(yōu)越的物理和化學(xué)特性打開(kāi)了大門(mén)，進(jìn)而引發(fā)了許多令人激動(dòng)的應(yīng)用前景。

由于石墨烯的電子表現(xiàn)出無(wú)靜態(tài)質(zhì)量的狄拉克錐性質(zhì)，人們開(kāi)始根據(jù)不同維度和不同尺寸來(lái)分類(lèi)理解碳材料的電子、物理和化學(xué)性質(zhì)，如三維塊狀材料（如石墨和金剛石）、二維納米片（如石墨烯）、一維納米線(xiàn)（如碳納米管和石墨烯納米帶）和零維點(diǎn)（如富勒烯和石墨烯量子點(diǎn)（GQDs））。不同尺寸碳材料的電子態(tài)密度（DOS）。如圖1所示，不同尺寸碳材料展現(xiàn)出不同的電子態(tài)密度（DOS）：三維碳材料的DOS與能量的1/2次方成正比，二維碳材料的DOS為常數(shù)，一維材料的DOS為能量的-1/2冪關(guān)系。而對(duì)于零維材料，其DOS為量子化的，表明GQDs在三維方向均被限制，獨(dú)特的量子約束和邊緣效應(yīng)使GQDs表現(xiàn)出非凡的光學(xué)、電學(xué)、熱學(xué)和磁學(xué)性質(zhì)。

圖2?GQDs的不同性質(zhì)示意圖

在眾多碳材料中，石墨烯因其優(yōu)異的物理和化學(xué)性質(zhì)而受到了極大的關(guān)注，并推動(dòng)了許多新應(yīng)用的發(fā)展，如超導(dǎo)魔角石墨烯，超高性能光電探測(cè)器和生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用等。然而盡管石墨烯具有許多優(yōu)異的性能，其進(jìn)一步發(fā)展與應(yīng)用仍存在一些局限性，如零帶隙結(jié)構(gòu)、制備成本高、制備大尺寸單晶困難等。2008年，?Andre Geim等人利用電子束刻蝕技術(shù)以石墨烯為原料制備了GQDs。GQDs作為碳材料家族的最新成員，繼承了石墨烯材料的高比表面積、高載流子遷移率、高惰性、高穩(wěn)定性、無(wú)毒性和高光熱轉(zhuǎn)換效率等優(yōu)良特性（圖2）。自從GQDs被首次發(fā)現(xiàn)，人們對(duì)GQDs的理化性質(zhì)及應(yīng)用進(jìn)行了廣泛的研究。例如，Tang和Lau等人報(bào)道了一種“自下而上”的合成技術(shù)（通常稱(chēng)為T(mén)ang-Lau方法），該技術(shù)可有效控制GQDs的大小，從而控制其能隙和光電應(yīng)用性質(zhì)。然而，由于GQDs是碳材料家族中相對(duì)較新的成員，其性能和潛在應(yīng)用尚未得到充分認(rèn)識(shí)。本文將對(duì)GQDs的最新研究進(jìn)展進(jìn)行綜述，旨在為GQDs材料的新研究和新應(yīng)用提供參考和指導(dǎo)。

02?石墨烯量子點(diǎn)的應(yīng)用

得益于載流子的量子限域效應(yīng)，GQDs表現(xiàn)出很強(qiáng)的熒光特性，使其在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，如熒光探針、癌癥監(jiān)測(cè)和治療等。GQDs還具有獨(dú)特的邊緣效應(yīng)，使得我們可通過(guò)在其邊緣摻入雜質(zhì)原子，簡(jiǎn)單而有效地對(duì)GQDs納米材料進(jìn)行功能化，從而調(diào)節(jié)其熒光波長(zhǎng)。這種邊緣效應(yīng)還可以通過(guò)與其他物質(zhì)雜化制備GQDs基復(fù)合材料，為各種新應(yīng)用的開(kāi)發(fā)提供了可能性。如圖3所示，本文詳細(xì)介紹了近年來(lái)GQDs納米材料在能源、環(huán)境、農(nóng)業(yè)、生物醫(yī)學(xué)、光電探測(cè)、氣體傳感等領(lǐng)域新應(yīng)用。

由于其優(yōu)異的性能和簡(jiǎn)便的制備技術(shù)，近年來(lái)GQDs在許多領(lǐng)域都實(shí)現(xiàn)了令人印象深刻的應(yīng)用實(shí)踐。納米量子點(diǎn)光學(xué)和電學(xué)的尺寸依賴(lài)特性，使GQDs納米材料可應(yīng)用于寬帶光電探測(cè)器、太陽(yáng)能電池、白光LEDs、熒光探針、激光器和集成光學(xué)等光電子領(lǐng)域。GQDs獨(dú)特的物化性質(zhì)還使其在能源獲取與儲(chǔ)存、能源轉(zhuǎn)化和利用等方面展現(xiàn)出較強(qiáng)的應(yīng)用價(jià)值和增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)。憑借其優(yōu)異的生物兼容性，納米GQDs材料在生物學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域同樣也備受關(guān)注，如生物醫(yī)學(xué)、生物標(biāo)記物、癌癥治療等。此外，GQDs納米材料易于功能化，這有利于拓展其在污染物去除、有害物質(zhì)檢測(cè)以及基于GQDs納米復(fù)合材料的農(nóng)業(yè)氮工程方面的應(yīng)用。有趣的是，由于GQDs能顯著增加根表面表皮細(xì)胞的比表面積，GQDs還可作為吸收水分和養(yǎng)分的催化劑，有效促進(jìn)植物生長(zhǎng)。GQDs的大比表面積性質(zhì)還有利于拓展其在防腐和氣體傳感器領(lǐng)域的廣泛使用。例如，研究人員基于改良的GQDs納米材料開(kāi)發(fā)了Janus微型馬達(dá)，實(shí)現(xiàn)了超快速的細(xì)菌內(nèi)毒素檢測(cè)。

03?石墨烯量子點(diǎn)的制備技術(shù)

GQDs的制備方法與材料產(chǎn)率、成本和性能緊密相關(guān)，是促進(jìn)GQDs納米材料廣泛應(yīng)用的重要一環(huán)。如圖4所示，本文對(duì)GQDs的不同制備方法進(jìn)行了綜合分類(lèi)。目前，大多數(shù)文獻(xiàn)將石墨量子點(diǎn)（GQDs）的制備方法劃分為“自下而上”和“自上而下”兩類(lèi)。通常而言，?“自下而上”方法是基于小分子物質(zhì)的縮聚反應(yīng)制備GQDs，而“自上而下”方法主要是基于塊狀碳材料的分解制備GQDs。然而，隨著GQDs制備技術(shù)的迅速發(fā)展，目前的分類(lèi)體系需要擴(kuò)展以涵蓋其他制備方法。在本文中，我們介紹了一個(gè)特別的GQDs制備方法，即化學(xué)法。化學(xué)是研究物質(zhì)之間產(chǎn)生變化的科學(xué)，因此我們可通過(guò)物質(zhì)之間的化學(xué)反應(yīng)合成GQDs的中間產(chǎn)物或前驅(qū)體，隨后轉(zhuǎn)化為GQDs納米材料，此種GQDs制備方法被歸類(lèi)為化學(xué)法。因此，是否涉及GQDs中間體的形成，是化學(xué)法與?“自下而上”或“自上而下”制備方法的主要差異所在。

總結(jié)與未來(lái)展望

量子約束和邊緣效應(yīng)是量子點(diǎn)的基本內(nèi)稟性質(zhì)。GQDs納米材料不僅繼承了石墨烯的諸多特性，還具有強(qiáng)熒光特性、強(qiáng)光學(xué)吸收和優(yōu)異的溶解性等。作為碳材料家族的新興成員，GQDs還展現(xiàn)出極佳的生物兼容性、低毒性和環(huán)境友好性。本文詳細(xì)介紹了GQDs納米材料的獨(dú)特性能，并與其他低維碳材料進(jìn)行了細(xì)致對(duì)比。具體而言，本文回顧了GQDs納米材料的三大制備方法，即“自上而下”、“自下而上”和化學(xué)法，并綜合GQDs尺寸、功能化、生產(chǎn)成本等因素評(píng)價(jià)了不同的制備方法；詳細(xì)討論了GQDs的電學(xué)、光學(xué)、磁學(xué)、熱學(xué)等性質(zhì)，并分析了不同功能化策略（如原子摻雜和材料復(fù)合）對(duì)GQDs物理化學(xué)性質(zhì)的影響，及其在生物醫(yī)學(xué)、能源、光電子、農(nóng)業(yè)等新興領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用前景。

隨著 GQDs納米材料的新特性不斷被發(fā)掘，基于GQDs的新應(yīng)用將繼續(xù)涌現(xiàn)。本文基于GQDs的獨(dú)特性質(zhì)，重點(diǎn)闡述了GQDs的未來(lái)研究方向和應(yīng)用前景。區(qū)別于其他量子點(diǎn)材料， GQDs無(wú)毒性，因此在生物醫(yī)學(xué)和環(huán)境保護(hù)方面具有很大的應(yīng)用潛力。然而許多GQDs的制備流程涉及有毒的化學(xué)試劑，因此發(fā)展綠色環(huán)保的制備技術(shù)對(duì)GQDs的未來(lái)應(yīng)用至關(guān)重要。其次，GQDs納米材料在光電子領(lǐng)域的應(yīng)用尚處于起步階段。目前，GQDs在光電子學(xué)中的應(yīng)用主要遇到兩個(gè)問(wèn)題：即高質(zhì)量GQDs薄膜的制備，和如何在不失去量子約束效應(yīng)的前提下，有效拓寬GQDs的響應(yīng)波長(zhǎng)。為了克服上述問(wèn)題，有必要對(duì)量子點(diǎn)的邊緣效應(yīng)和量子約束效應(yīng)進(jìn)行深入的研究。此外，現(xiàn)階段GQDs的電學(xué)和磁學(xué)性質(zhì)研究也較少，GQDs在太陽(yáng)能電池和發(fā)電等領(lǐng)域的應(yīng)用價(jià)值亟待被開(kāi)發(fā)。

審核編輯：黃飛

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