文章信息
文章链接：https://doi.org/10.1002/adfm.75774
通讯作者：黄中杰教授（东华大学材料科学与工程学院）
第一作者：尹太山（东华大学24博）
研究背景
量子发射器能够产生高纯度单光子，是量子通信、密码学与量子计算等量子信息技术的核心基础元器件。现阶段，量子发射主要依托原子级缺陷、半导体量子点以及低维材料等体系的离散能级跃迁实现发光。尽管各类量子发光体系发展迅速，但规模化、可控化制备仍是行业共性难题。例如，金刚石NV色心通常依靠离子注入、高温退火、高能辐照等高能耗制备工艺；过渡金属硫族化合物、六方氮化硼等二维材料高度依赖基底褶皱、纳米柱阵列、探针压印等应变工程调控。基于半导体单壁碳纳米管(SWCNT)sp3缺陷的碳管量子色心，凭借分子嫁接位点引入的量子势阱，有望发展为新一代化学可编程的室温量子发光平台。
针对目前碳管量子色心合成技术存在的明显短板，东华大学材料科学与工程学院、先进纤维材料全国重点实验室黄中杰教授团队开发了一套高效便捷的合成策略，利用外层单电子转移氧化还原介导的芳基重氮化学策略实现了量子色心的即时可控合成。相关研究以“Instant synthesis of quantum defects using feasible chemistry with distinctive spectral fingerprints”为题，发表在材料领域旗舰期刊Advanced Functional Materials上。
研究成果
碳管量子色心的传统制备工艺因合成条件严苛(需有毒试剂、特定波长光照、或极长反应时间)面临着合成成本高，重复性差，反应程度不可控等多重挑战。本文基于氧化还原介导的重氮化学方法，提出了一种一锅法合成策略，可快速、按需合成量子缺陷。该方法以亚铁氰根离子为还原剂，在室温常压环境下，仅需2分钟即可实现反应（还原芳基重氮盐产生芳基自由基，进而在碳管上构建量子色心）。反应过程中铁离子价态的变化导致溶液颜色由无色转变为黄色，因此实现反应进程的肉眼可见实时监测。与以往耗时长、依赖外界刺激或需苛刻反应流程的传统方法相比，本策略具有独特优势：能耗极低、反应条件温和、反应动力学快、且对碳管状态具有普适性，无论是分散液还是粉末均可反应。
图文导读
图1. 量子色心合成策略示意图。亚铁氰化钾作为电子给体，推动4-硝基重氮苯四氟硼酸盐(NBD)发生单电子转移还原反应并生成芳基自由基；该自由基可快速与SWCNT形成共价键，引入sp3缺陷。与此同时，[Fe(CN)6]4-被氧化为[Fe(CN)6]3-，产生肉眼可见的颜色变化。生成的量子色心可在NIR-II产生明亮荧光发射。
图2. 基于(6,5)手性碳管的量子色心的光致发光(PL)光谱表征。(a)功能化之前(黑线)和之后(红线)的吸收和PL光谱，及二维PL激发-发射图。(b)不同反应时间的PL光谱。(c)本征和色心发光强度随时间变化的曲线。(d)根据不同反应物摩尔比反应的PL光谱。(e)根据不同反应物摩尔比反应的本征和色心发光强度。
图3. 不同手性碳管的量子色心发光。(a)五种手性碳管的照片:(6,4)、(7,3)、(6,5)、(8,3)和(7,5)。(b)五种手性碳管的吸收光谱。(c)五种手性碳管的量子色心PL光谱。(d)不同手性碳管的PL激发-发射图：(6,4)、(8,3)、(7,3)和(7,5)(从上到下)。(e)量子势阱深度(ΔPL)和碳管直径平方的倒数(1/d2)之间的关系。(f) EPR信号与机理证实。
图4. 量子色心的宏量制备。(a-c)分别为功能化前(左)和功能化后(右)的碳管的NIR PL照片（加载1100 nm滤光片）、PL激发-发射图谱和2D拉曼D/G图谱。(d)碳管量子色心薄膜的PL光谱和光学照片。(e)高浓度反应后的XPS光谱。(f)原始(黑色)和功能化(红色)碳管的热重分析曲线。(g)通过大规模合成后的手性分离，成功地获得了量子色心修饰的(6,5)(紫红色曲线)和(6,4) (蓝紫色曲线)碳管溶液。(h)有机分散液中的量子色心PL光谱。
图5. 反应机理。(a)用NBD(红线)或4-甲氧基重氮苯四氟硼酸盐(MBD，黑线)反应体系的PL光谱和照片。(b)亚铁氰化钾与NBD(红线)或MBD(黑线)反应的吸收光谱。(c)反应物能级图，突出芳基重氮盐的第一还原峰电位和[Fe(CN)6]4-的氧化还原电位。(d)实验室环境条件下放置一个月前(黑线)后(红线)的量子色心溶液的PL光谱。
总结与展望
本工作报道了一种操作简便、可实时可视化监测的一锅法合成策略，用于制备基于碳管量子色心。该方法同时适用于分散性良好的样品与原始粉体材料。与已报道的合成方法相比，本工作具有多项显著优势：(i)反应在室温常压下进行，无需额外能量输入或专用设备；(ii)反应完成速度快，仅需数分钟即可结束，而对比样——水相重氮盐自发反应则需要一周时间；(iii)方法适应性广，无论碳管的手性、分散状态如何，均可实现高效功能化，同时可满足规模化生产的需求。这种简便高效的量子色心合成方法，有望推动碳管量子色心和化学可编程量子体系领域的后续创新。
作者团队
本工作由东华大学与上海交通大学医学院附属仁济医院合作完成。第一作者为东华大学材料科学与工程学院24级博士生尹太山。通讯作者黄中杰教授为东华大学材料科学与工程学院、先进纤维材料全国重点实验室教授、博士生导师，美国俄亥俄州立大学博士（导师Yiying Wu），马里兰大学博后（导师YuHuang Wang），主要从事表界面分子科学与微纳技术研究。黄中杰教授对碳管光学材料有多年研究，包括碳管量子色心和智能光致动体系等(Adv. Mater. 2018, 30, 1705303 (Highlighted as Nat. Photonics 2018, 12, 123); Adv. Mater. 2020, 32, 1906517; Adv. Mater. 2021, 33, 2005890; Adv. Funct. Mater. 2025, 35, 2422228; ACS Sens. 2025, 10, 4687; Adv. Opt. Mater. 2025, 13, e01957; Adv. Funct. Mater. 2026, 36, e75774)。
