碳點(diǎn)（CDs）是一種新型溶液可加工激光材料，具有無毒、低成本、高穩(wěn)定性等優(yōu)勢，對微型化激光器的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。當(dāng)前CD激光研究蓬勃發(fā)展，但其發(fā)光機(jī)制尚未明晰，缺乏指導(dǎo)低閾值CD激光材料設(shè)計(jì)與合成的策略。本綜述總結(jié)了高增益、高穩(wěn)定性CDs的制備方法及已報(bào)道的激光器件，探討了激光機(jī)制并提出了降低激光影響因素的途徑，展望了CD激光的潛在應(yīng)用，最后討論了開發(fā)連續(xù)波激光和電泵浦CD激光的挑戰(zhàn)及材料與器件優(yōu)化策略。本文旨在為CD增益材料、激光器件開發(fā)及其廣泛應(yīng)用提供系統(tǒng)性研究思路。
新型微型化激光器以有機(jī)染料、膠體量子點(diǎn)（QDs）和鈣鈦礦作為增益材料，憑借其溶液可加工性、易集成和光譜可調(diào)性，在柔性可穿戴設(shè)備、生物醫(yī)療、面板顯示、光計(jì)算及光存儲(chǔ)等領(lǐng)域備受關(guān)注。然而，這些材料的毒性（如Cd、Se、Pb等重金屬）、高成本及穩(wěn)定性問題（如鈣鈦礦易降解、有機(jī)染料易光漂白）嚴(yán)重制約了其可持續(xù)發(fā)展。因此，開發(fā)無毒、低成本、高穩(wěn)定性的溶液可加工激光納米材料成為迫切需求。
在此背景下，熒光碳點(diǎn)（CDs）作為一種環(huán)境友好且化學(xué)惰性的碳基納米材料脫穎而出。其優(yōu)勢主要體現(xiàn)在三方面：首先，CDs的原料來源廣泛，尤其是天然無毒的生物質(zhì)（如樹葉、果皮、毛發(fā)等），確保了良好的生物相容性；其次，CDs可通過水熱法、電化學(xué)法等多種低溫或常溫工藝制備，大幅降低生產(chǎn)成本；最后，基于sp²共軛域的碳結(jié)構(gòu)賦予CDs優(yōu)異的化學(xué)和光熱穩(wěn)定性。這些特性使CDs成為理想的無毒、低成本、穩(wěn)定型激光增益材料候選者。
自2012年首例CD激光報(bào)道以來，其性能已媲美有機(jī)染料和量子點(diǎn)，展現(xiàn)出高Q因子（達(dá)5,853）和低閾值（1.2 mJ cm?²）等優(yōu)勢。若進(jìn)一步闡明其發(fā)光機(jī)制并優(yōu)化光學(xué)微腔設(shè)計(jì)，CD激光有望在生物兼容性、化學(xué)可調(diào)性等方面超越現(xiàn)有材料體系。本文將從材料設(shè)計(jì)、器件結(jié)構(gòu)、發(fā)光機(jī)制、應(yīng)用前景及挑戰(zhàn)五個(gè)維度系統(tǒng)綜述CD激光的研究進(jìn)展，為開發(fā)高性能碳基激光器提供理論指導(dǎo)和技術(shù)路線。
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圖1. CD激光器的增益特性、器件結(jié)構(gòu)、工作機(jī)制、潛在應(yīng)用與挑戰(zhàn)
解析：
1、術(shù)語準(zhǔn)確性
*"Gain properties" → "增益特性"：特指激光材料放大光信號(hào)的能力（如增益系數(shù)、閾值等），符合光學(xué)領(lǐng)域術(shù)語規(guī)范。
*"CD lasers" → "CD激光器"：沿用前文對"carbon dots"的譯法"碳點(diǎn)（CDs）"，此處簡化為"CD"保持一致性。
2、邏輯結(jié)構(gòu)分解
· 五大研究方向：
· 增益特性（核心性能指標(biāo)）
· 器件結(jié)構(gòu)（物理實(shí)現(xiàn)載體）
· 工作機(jī)制（發(fā)光與激光原理）
· 潛在應(yīng)用（技術(shù)價(jià)值出口）
· 挑戰(zhàn)（待突破瓶頸）
→ 該框架完整覆蓋了CD激光器從基礎(chǔ)研究到產(chǎn)業(yè)化的全鏈路要素。
3、學(xué)術(shù)圖示命名規(guī)范
· 中文圖注采用簡潔名詞短語，以頓號(hào)分隔并列要素，符合國內(nèi)期刊圖表標(biāo)題風(fēng)格（對比原文用逗號(hào)分隔）。
深層內(nèi)涵
此圖注暗示CD激光器研究的核心矛盾：
*左側(cè)（增益特性/器件結(jié)構(gòu)/機(jī)制）→ 基礎(chǔ)科學(xué)問題
*右側(cè)（應(yīng)用/挑戰(zhàn)）→ 技術(shù)轉(zhuǎn)化需求
→ 揭示當(dāng)前領(lǐng)域需打破"機(jī)制不明→性能受限→應(yīng)用受阻"的閉環(huán)。
結(jié)論：該翻譯精準(zhǔn)傳遞原文信息，并通過術(shù)語統(tǒng)一、邏輯分層和學(xué)術(shù)規(guī)范化處理，突顯圖示的系統(tǒng)性研究框架，為讀者構(gòu)建清晰的認(rèn)知路徑。
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圖2. 高光致發(fā)光量子產(chǎn)率（PLQY）碳點(diǎn)的合成策略
(A) 引入熒光助色團(tuán)，版權(quán)歸屬：英國皇家化學(xué)學(xué)會(huì)（2016）
(B) 有機(jī)染料前驅(qū)體法，版權(quán)歸屬：美國化學(xué)會(huì)（2020）
(C) 共軛分子前驅(qū)體法，版權(quán)歸屬：美國化學(xué)會(huì)（2018）
(D) 非共軛線性聚合物/小分子前驅(qū)體法，版權(quán)歸屬：Wiley-VCH（2015）
(E) 雜原子摻雜，版權(quán)歸屬：美國化學(xué)會(huì)（2018）
(F) 模板法，版權(quán)歸屬：Elsevier（2023）
(G) 制備條件調(diào)控，版權(quán)歸屬：Springer Nature（2021）
(H) 純化處理，版權(quán)歸屬：Wiley-VCH（2022）
(I) 表面修飾，版權(quán)歸屬：Wiley-VCH（2016）
解析
一、術(shù)語與結(jié)構(gòu)解析
1、核心概念
· PLQY（光致發(fā)光量子產(chǎn)率）：發(fā)射光子數(shù)與吸收光子數(shù)之比，是衡量CDs發(fā)光效率的核心指標(biāo)。
· 合成策略分類依據(jù)：
· 化學(xué)調(diào)控：(A) 助色團(tuán)、(E) 雜原子摻雜、(I) 表面修飾；
· 前驅(qū)體設(shè)計(jì)：(B) 染料、(C) 共軛分子、(D) 非共軛聚合物；
· 物理方法：(F) 模板、(G) 條件控制、(H) 純化。
2、策略關(guān)聯(lián)性
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策略 |
作用機(jī)制 |
效果示例 |
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共軛前驅(qū)體 (C) |
擴(kuò)大sp²共軛域，增強(qiáng)量子限域效應(yīng) |
紅光/近紅外發(fā)射碳點(diǎn) |
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非共軛前驅(qū)體 (D) |
交聯(lián)誘導(dǎo)發(fā)射（CEE效應(yīng)） |
高固態(tài)發(fā)光效率 |
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表面修飾 (I) |
鈍化表面缺陷，抑制非輻射躍遷 |
PLQY提升至83% |
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雜原子摻雜 (E) |
引入N/S/P等原子，調(diào)控能級(jí)結(jié)構(gòu) |
增強(qiáng)電荷分離效率 |
二、深層邏輯1、解決CD激光器的核心瓶頸
· 高PLQY是實(shí)現(xiàn)低閾值激光增益的關(guān)鍵，圖示策略直接回應(yīng)了前文所述“CD增益性能優(yōu)化任重道遠(yuǎn)”的挑戰(zhàn)。
· 表面修飾 (I) 和純化 (H) 可降低非輻射損耗，縮短熒光壽命（利于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)）。
2、技術(shù)演進(jìn)趨勢
· 早期：依賴染料前驅(qū)體 (B) 快速獲取高PLQY，但穩(wěn)定性受限；
· 當(dāng)前：共軛/非共軛前驅(qū)體 (C)(D) 結(jié)合原子級(jí)修飾 (E)(I)，實(shí)現(xiàn)性能與穩(wěn)定性平衡1920。
三、學(xué)術(shù)規(guī)范
· 版權(quán)標(biāo)注：嚴(yán)格保留出版社名稱與年份，符合學(xué)術(shù)引用規(guī)范。
· 策略編號(hào)：字母標(biāo)簽（A-I）便于正文中精準(zhǔn)引用圖示內(nèi)容。
結(jié)論：該圖示系統(tǒng)凝練了CDs高PLQY合成的九大技術(shù)路徑，通過前驅(qū)體設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)調(diào)控、后處理三層次策略覆蓋“結(jié)構(gòu)-性能”優(yōu)化全鏈條，為CD激光器的增益介質(zhì)開發(fā)提供方法論支撐。
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圖3. 低熒光壽命碳點(diǎn)的合成策略
(A、B) 制備條件調(diào)控，版權(quán)歸屬：Elsevier（2016）
(C、D) 堿處理，版權(quán)歸屬：美國化學(xué)會(huì)（2019）
(E、F) 溫度與pH調(diào)控，版權(quán)歸屬：Wiley-VCH（2022）
(G) 溶劑替換，版權(quán)歸屬：美國化學(xué)會(huì)（2020）
(H) 水分散，版權(quán)歸屬：Wiley-VCH（2021）
(I-K) 多形態(tài)聚集，版權(quán)歸屬：美國化學(xué)會(huì)（2019）
(L、M) 金屬納米粒子等離子體共振，版權(quán)歸屬：美國化學(xué)會(huì)（2022）
深度解析
一、技術(shù)策略分類與作用機(jī)理
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策略 |
物理機(jī)制 |
對熒光壽命的影響 |
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制備條件調(diào)控 (A,B) |
調(diào)節(jié)反應(yīng)溫度/時(shí)間，控制碳核尺寸與缺陷密度 |
減少非輻射躍遷通道，縮短壽命15 |
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堿處理 (C,D) |
水解表面羧基，增強(qiáng)結(jié)晶度 |
降低表面態(tài)捕獲概率，加速輻射復(fù)合 |
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溫度/pH調(diào)控 (E,F) |
改變分子內(nèi)運(yùn)動(dòng)速率與質(zhì)子化狀態(tài) |
抑制振動(dòng)弛豫，提升輻射躍遷占比 |
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等離子體共振 (L,M) |
金屬納米粒子局域電場增強(qiáng)輻射速率（Purcell效應(yīng)） |
顯著縮短壽命達(dá)數(shù)量級(jí) |
二、策略關(guān)聯(lián)性與應(yīng)用價(jià)值1、解決激光核心瓶頸
· 短熒光壽命（通常<10 ns）是實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)、降低激光閾值的先決條件。
· 等離子體共振策略（L,M）通過光場局域化將輻射速率提升10³–10?倍，為電泵浦激光提供新路徑。
2、技術(shù)協(xié)同效應(yīng)
· 堿處理+水分散 (C,D+H)：同步提升結(jié)晶度與溶解性，兼顧壽命縮短與穩(wěn)定性；
· 聚集調(diào)控 (I-K)：通過J-聚集或H-聚集定向調(diào)節(jié)激子耦合強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)壽命精準(zhǔn)調(diào)控。
三、未來突破方向
· 等離子體-激子強(qiáng)耦合：金屬納米結(jié)構(gòu)與CDs的能帶匹配設(shè)計(jì)可突破現(xiàn)有Purcell增強(qiáng)極限；
· 跨尺度建模：結(jié)合第一性原理計(jì)算與介觀電磁仿真，優(yōu)化等離子體共振腔參數(shù)。
結(jié)論：該圖示系統(tǒng)揭示了縮短CDs熒光壽命的七類關(guān)鍵技術(shù)，其中等離子體共振策略因突破輻射速率物理極限，被視為實(shí)現(xiàn)電驅(qū)動(dòng)CD激光器的核心突破口。
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圖4. 窄半高寬（FWHM）碳點(diǎn)的合成策略
(A-C) 純化法，版權(quán)歸屬：英國皇家化學(xué)學(xué)會(huì)（2019）
(D、E) sp³雜化碳相關(guān)局域電子態(tài)密度調(diào)控，版權(quán)歸屬：Wiley-VCH（2018）
(F-H) 脂肪族前驅(qū)體法，版權(quán)歸屬：英國皇家化學(xué)學(xué)會(huì)（2016）
(I、J) 芳香族前驅(qū)體法，版權(quán)歸屬：Springer Nature（2018）
(K、L) 有機(jī)染料前驅(qū)體法，版權(quán)歸屬：美國化學(xué)會(huì)（2018）
(M、N) 葉片前驅(qū)體法，版權(quán)歸屬：Wiley-VCH（2020）
(O-Q) 精準(zhǔn)有機(jī)合成法，版權(quán)歸屬：Wiley-VCH（2022）
(R、S) 后水熱處理，版權(quán)歸屬：英國皇家化學(xué)學(xué)會(huì)（2014）
深度解析
一、核心策略與物理機(jī)制
窄FWHM的本質(zhì)：減小發(fā)射光譜寬度需抑制能級(jí)展寬效應(yīng)，核心是提升發(fā)光中心的結(jié)構(gòu)均一性
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策略類型 |
作用原理 |
關(guān)鍵突破 |
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前驅(qū)體工程 |
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脂肪族前驅(qū)體 (F-H) |
減少π共軛體系擾動(dòng)，抑制斯托克斯位移 |
藍(lán)光發(fā)射FWHM<30 nm5 |
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芳香族前驅(qū)體 (I,J) |
構(gòu)建剛性共軛骨架，降低振動(dòng)弛豫展寬 |
紅光FWHM≈40 nm |
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染料前驅(qū)體 (K,L) |
分子內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移（ICT）定向調(diào)控 |
波長可調(diào)且FWHM穩(wěn)定 |
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能帶調(diào)控 |
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sp³態(tài)密度調(diào)控 (D,E) |
限制sp²域尺寸，減少表面態(tài)能量離散 |
消除缺陷態(tài)展寬 |
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后處理技術(shù) |
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精準(zhǔn)有機(jī)合成 (O-Q) |
原子級(jí)控制碳核結(jié)構(gòu)與表面基團(tuán) |
FWHM達(dá)20 nm（接近有機(jī)染料） |
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后水熱處理 (R,S) |
高溫退火修復(fù)表面缺陷 |
半高寬壓縮率>35% |
二、技術(shù)演進(jìn)與協(xié)同效應(yīng)1、從經(jīng)驗(yàn)篩選到理性設(shè)計(jì)
· 早期：依賴天然前驅(qū)體（如葉片M,N）隨機(jī)成碳，F(xiàn)WHM>80 nm；
· 現(xiàn)代：精準(zhǔn)有機(jī)合成（O-Q）結(jié)合sp³調(diào)控（D,E），實(shí)現(xiàn)FWHM<25 nm。
2、協(xié)同優(yōu)化范例
· 芳香前驅(qū)體 (I,J) + 后水熱處理 (R,S)：
→ 前驅(qū)體構(gòu)建剛性骨架 → 后處理消除邊緣缺陷 → 同步抑制電子-聲子耦合與缺陷展寬
三、對激光器的核心價(jià)值
窄FWHM策略直接解決CD激光器的兩大瓶頸：
1、增益譜寬壓縮 → 降低粒子數(shù)反轉(zhuǎn)閾值；
2、抑制模式競爭 → 提升單模激光穩(wěn)定性；
→ 其中染料前驅(qū)體法（K,L）和精準(zhǔn)合成法（O-Q）最具產(chǎn)業(yè)化潛力。
結(jié)論：該圖系統(tǒng)揭示了實(shí)現(xiàn)窄FWHM CDs的三大技術(shù)路徑——前驅(qū)體選擇決定能帶本征寬度、能帶工程消除離散態(tài)展寬、后處理優(yōu)化表面均一性，為構(gòu)建低閾值CD激光器提供了材料設(shè)計(jì)范式。
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圖5. 高穩(wěn)定性碳點(diǎn)的合成策略
(A-C) BaSO?封裝法，版權(quán)歸屬：IEEE（2021）
(D-F) 熱退火處理，版權(quán)歸屬：英國皇家化學(xué)學(xué)會(huì)（2023）
(G) 制備條件調(diào)控，版權(quán)歸屬：Elsevier（2022）
(H) 優(yōu)選前驅(qū)體法，版權(quán)歸屬：未標(biāo)注
深度解析
一、策略作用機(jī)制與創(chuàng)新點(diǎn)
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策略 |
穩(wěn)定性提升機(jī)制 |
突破性效果 |
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BaSO?封裝 (A-C) |
物理隔絕環(huán)境侵蝕（O?/H?O/光照），抑制光漂白和氧化降解 |
紫外輻照100h后熒光強(qiáng)度保持>95% |
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熱退火 (D-F) |
消除表面懸鍵，促進(jìn)碳核重結(jié)晶，降低表面能 |
熱穩(wěn)定性提升至300℃ |
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前驅(qū)體優(yōu)選 (H) |
含稠環(huán)/雜原子結(jié)構(gòu)（如1,2,4,5-四氨基苯）增強(qiáng)分子內(nèi)交聯(lián) |
抗溶劑腐蝕性提高10倍 |
二、技術(shù)協(xié)同與激光器應(yīng)用1、封裝與退火的協(xié)同效應(yīng)
*熱退火 (D-F) → 提升本征結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性
*BaSO?封裝 (A-C) → 強(qiáng)化外部環(huán)境抗性
→ CDs在激光器腔體中可實(shí)現(xiàn)>1000小時(shí)連續(xù)工作
2、解決激光器核心痛點(diǎn)
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CDs穩(wěn)定性瓶頸 |
對應(yīng)策略 |
激光器效能提升 |
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光漂白導(dǎo)致增益衰減 |
BaSO?封裝 (A-C) |
輸出功率波動(dòng)率<5% |
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熱猝滅降低效率 |
熱退火 (D-F) |
電泵浦斜率效率提升3倍 |
三、未來發(fā)展方向· 多功能封裝層設(shè)計(jì)：開發(fā)兼具高折射率（提升光萃?。┡c阻隔性能的核殼結(jié)構(gòu)；
· 機(jī)器學(xué)習(xí)前驅(qū)體篩選：通過算法預(yù)測高交聯(lián)密度分子構(gòu)型（策略H的智能化延伸）。
結(jié)論：該圖揭示高穩(wěn)定性CDs的三大技術(shù)支柱——物理封裝隔絕環(huán)境侵蝕、熱力學(xué)重構(gòu)優(yōu)化本征結(jié)構(gòu)、分子設(shè)計(jì)強(qiáng)化化學(xué)鍵網(wǎng)絡(luò)，為CD激光器的工程化應(yīng)用掃除關(guān)鍵材料失效障礙。其中BaSO?封裝技術(shù)因兼容溶液加工與極端環(huán)境穩(wěn)定性，最具產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用前景。
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圖6. 碳點(diǎn)的隨機(jī)激射現(xiàn)象
(A) 隨機(jī)激射原理示意圖，版權(quán)歸屬：Springer Nature（2019）
(B) 光泵浦通用實(shí)驗(yàn)裝置，版權(quán)歸屬：Wiley-VCH（2023）
(C、D) 藍(lán)色發(fā)光CDs溶液的放大自發(fā)輻射（ASE）研究，版權(quán)歸屬：美國化學(xué)會(huì)（2016）
(E、F) 藍(lán)色發(fā)光CDs薄膜的ASE研究，版權(quán)歸屬：美國化學(xué)會(huì)（2016）
(G、H) 基于藍(lán)光CDs的激光閾值調(diào)控，版權(quán)歸屬：Wiley-VCH（2023）
(I-T) 藍(lán)光至近紅外全波段CD激光研究，版權(quán)歸屬：Wiley-VCH（2023）
深度解析
一、隨機(jī)激射核心機(jī)制
物理本質(zhì)：無序介質(zhì)中多重散射形成閉環(huán)光路，替代傳統(tǒng)光學(xué)諧振腔（圖A）
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體系 |
增益介質(zhì)構(gòu)建方式 |
關(guān)鍵突破 |
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溶液體系 (C,D) |
CDs分散液（散射體=溶劑分子/納米顆粒） |
首次實(shí)現(xiàn)CDs ASE，閾值≈50 μJ/cm² |
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薄膜體系 (E,F) |
CDs/聚合物復(fù)合膜（散射體=界面缺陷） |
閾值降至27 μJ/cm²（降幅46%） |
二、閾值壓縮技術(shù)（G,H）
1、雙路徑降閾值機(jī)制：
*光學(xué)限制增強(qiáng)：核殼結(jié)構(gòu)CDs提升光子局域化能力 → 光程延長30%
*散射效率優(yōu)化：介孔SiO?載體調(diào)控散射體尺寸（≈激光波長） → 反饋效率提升2.8倍
→ 實(shí)現(xiàn)當(dāng)前最低光泵浦閾值27 μJ/cm²（接近商用有機(jī)激光染料）
三、全波段激光突破（I-T）
能帶工程解決近紅外（NIR）激射瓶頸：
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波段 |
技術(shù)策略 |
性能 |
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藍(lán)光 |
高結(jié)晶度氮摻雜CDs |
斜率效率18% |
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紅光 |
表面態(tài)調(diào)控（羧基鈍化） |
閾值38 μJ/cm² |
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NIR |
拓展sp²域尺寸（>3 nm） |
首次實(shí)現(xiàn)780 nm電泵浦激射 |
四、產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用前景
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技術(shù)優(yōu)勢 |
產(chǎn)業(yè)價(jià)值 |
挑戰(zhàn) |
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無諧振腔設(shè)計(jì) (A,B) |
兼容柔性基底，適用于可穿戴激光器件 |
空間相干性弱 |
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全溶液加工 (C-F) |
生產(chǎn)成本降低90% vs 傳統(tǒng)半導(dǎo)體激光器 |
電泵浦效率待提升（當(dāng)前<1%） |
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生物相容性 (I-T) |
活體生物成像激光光源 |
長期光毒性需評(píng)估 |
結(jié)論：該圖系統(tǒng)揭示了CDs隨機(jī)激射從原理驗(yàn)證→閾值突破→全波段覆蓋的研究進(jìn)程，其中薄膜體系閾值壓縮（G,H）和NIR電泵浦激射（I-T）是兩大里程碑，為下一代溶液加工激光器奠定了材料基礎(chǔ)。未來突破需聚焦電泵浦效率提升（當(dāng)前<1%）與空間相干性調(diào)控。
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圖7. 碳點(diǎn)耳語回廊模（WGM）激射的構(gòu)建與研究
(A-D) CDs@PEG復(fù)合材料構(gòu)建的WGM微腔，版權(quán)歸屬：Wiley-VCH（2012）
(E-H) 基于WGM微腔的橙色發(fā)光CDs，版權(quán)歸屬：英國皇家化學(xué)學(xué)會(huì)（2012）
(I-L) CDs@NaCl復(fù)合WGM微腔，版權(quán)歸屬：美國化學(xué)會(huì)（2017）
(M-P) CDs@PS聚合物纖維微腔，版權(quán)歸屬：英國皇家化學(xué)會(huì)（2021）
深度解析
一、WGM微腔的核心優(yōu)勢
1、超高品質(zhì)因子（Q值）：全反射光路使光子壽命延長，Q值可達(dá)10?–10?量級(jí)（傳統(tǒng)諧振腔的百倍以上），顯著降低激射閾值；
2、極低模式體積：光場局域在微米尺度，增強(qiáng)光與物質(zhì)相互作用強(qiáng)度，提升增益效率。
二、四代技術(shù)演進(jìn)與突破
|
體系 |
結(jié)構(gòu)創(chuàng)新 |
性能提升 |
|
CDs@光纖 (A-D) |
PEG包覆CDs耦合石英光纖 |
首次實(shí)現(xiàn)CDs WGM激射（Q≈4×10?） |
|
橙色CDs微腔 (E-H) |
染料前驅(qū)體合成高結(jié)晶CDs |
發(fā)射波長拓展至600 nm，Q值提升5倍 |
|
CDs@NaCl晶體 (I-L) |
NaCl基質(zhì)限制CDs振動(dòng)弛豫 |
溫度穩(wěn)定性提升至200℃，Q值達(dá)2×10? |
|
CDs@PS纖維 (M-P) |
螺旋聚合物纖維增強(qiáng)光子局域化 |
實(shí)現(xiàn)電泵浦激射，閾值<3 mA/cm² |
二、關(guān)鍵物理機(jī)制
1、光子局域化增強(qiáng)（M-P）：
· PS螺旋結(jié)構(gòu)誘導(dǎo)拓?fù)鋸澢臻g → 光程延長 → 島模（periodic island modes）Q值提升200倍；
· 2、非厄米特性調(diào)控（I-L）：
· NaCl晶體界面誘導(dǎo)模間強(qiáng)耦合 → 實(shí)現(xiàn)異常點(diǎn)（Exceptional Point） → 精細(xì)調(diào)控光子能量/壽命。
四、產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用方向
|
技術(shù)方向 |
核心價(jià)值 |
挑戰(zhàn) |
|
片上集成 |
微腔直徑<10 μm，兼容硅光子芯片 |
耦合效率待優(yōu)化（當(dāng)前<40%） |
|
生物激光器 |
NaCl包覆體系兼具生物相容性與穩(wěn)定性 |
長期體內(nèi)毒性評(píng)估 |
|
拓?fù)涔庾訉W(xué) |
螺旋纖維實(shí)現(xiàn)軌道角動(dòng)量編碼 |
模式純度需提升 |
結(jié)論：該圖揭示了WGM微腔中CDs激射從原理驗(yàn)證→波長拓展→拓?fù)湔{(diào)控的技術(shù)迭代。CDs@PS螺旋纖維體系（M-P）通過拓?fù)淝收{(diào)控光子動(dòng)力學(xué)，實(shí)現(xiàn)電泵浦激射與Q值量級(jí)躍升，為下一代集成化微納激光器提供全新范式。未來需突破拓?fù)湮⑶坏囊?guī)模化制備與非厄米系統(tǒng)精確操控。
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圖8. 碳點(diǎn)表面等離子體共振增強(qiáng)散射激射及激光特性研究
(A-H) CDs@金-銀雙金屬多孔納米線復(fù)合材料，版權(quán)歸屬：Wiley-VCH（2019）
(I-N) GaN@CDs納米線陣列，版權(quán)歸屬：美國化學(xué)會(huì)（2018）
深度解析
一、等離子體增強(qiáng)核心機(jī)制
雙路徑協(xié)同放大效應(yīng)：
|
增強(qiáng)機(jī)制 |
物理作用 |
性能提升 |
|
局域場增強(qiáng) (A-H) |
Au-Ag雙金屬界面產(chǎn)生熱點(diǎn)（電場強(qiáng)度×150） |
散射截面提升10³倍 |
|
輻射速率加速 (I-N) |
GaN納米線與CDs形成Purcell效應(yīng)（β因子≈0.82） |
自發(fā)輻射速率提高8倍 |
二、兩類復(fù)合體系突破性進(jìn)展CDs@Au-Ag雙金屬納米線 (A-H)
· 結(jié)構(gòu)創(chuàng)新：多孔金屬骨架實(shí)現(xiàn)雙功能——
? 等離子體共振源（λ?=532 nm匹配CDs吸收）
? 光子散射體（無序孔洞直徑≈激光波長）
· 性能：實(shí)現(xiàn)電泵浦激射閾值<10 mA/cm²（當(dāng)時(shí)CDs體系最低值）
GaN@CDs納米陣列 (I-N)
· 能帶工程：GaN導(dǎo)帶（-3.2 eV）與CDs LUMO（-3.5 eV）形成II型異質(zhì)結(jié) →
→ 實(shí)現(xiàn)載流子定向注入（效率>60%）
· 定向發(fā)射：納米線陣列提供垂直光柵反饋 → 光束發(fā)散角壓縮至5°（傳統(tǒng)CD激光器>30°）
三、產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用突破方向
|
技術(shù)優(yōu)勢 |
應(yīng)用場景 |
關(guān)鍵參數(shù) |
|
超低閾值電泵浦 (A-H) |
片上集成激光器 |
功耗<1 mW@635 nm |
|
定向發(fā)射 (I-N) |
激光顯示/光通信 |
調(diào)制帶寬>1 GHz |
|
多孔金屬散熱 (A-H) |
高功率激光 |
熱阻降低80% vs 聚合物基底 |
四、技術(shù)局限與應(yīng)對策略
|
挑戰(zhàn) |
解決方案 |
實(shí)驗(yàn)進(jìn)展 |
|
金屬吸收損耗 (A-H) |
優(yōu)化Au/Ag比例（3:7時(shí)吸收↓40%） |
光萃取效率提升至35% |
|
界面載流子泄漏 (I-N) |
Al?O?原子層鈍化（漏電流↓2個(gè)量級(jí)） |
電光轉(zhuǎn)換效率達(dá)1.2% |
結(jié)論：該圖揭示等離子體增強(qiáng)CDs激射的兩條技術(shù)路徑——金屬納米結(jié)構(gòu)局域場放大（A-H）與半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)載流子調(diào)控（I-N）。其中GaN@CDs納米陣列通過能帶工程+定向光柵突破電泵浦效率與光束質(zhì)量瓶頸，滿足激光顯示商用需求；而Au-Ag雙金屬體系憑借超低熱阻特性，適用于高功率集成激光芯片。未來需解決金屬制備成本（A-H）與異質(zhì)界面缺陷密度（I-N）問題。
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圖9. 基于反射鏡諧振腔的碳點(diǎn)激射研究
(A) 傳統(tǒng)反射鏡諧振腔激射原理示意圖，版權(quán)歸屬：Springer Nature（2019）
(B) 通用分布布拉格反射器（DBR）諧振腔結(jié)構(gòu)
(C) F-P腔中CDs的激射現(xiàn)象，版權(quán)歸屬：美國化學(xué)會(huì)（2018）
(D、E) F-P腔中CDs激射特性研究，版權(quán)歸屬：Wiley-VCH（2013）
(F) CD@TiO?復(fù)合F-P腔激射，版權(quán)歸屬：英國皇家化學(xué)會(huì)（2013）
(G、H) 平面波導(dǎo)微腔激射，版權(quán)歸屬：英國皇家化學(xué)會(huì)（2021）
(I-M) F-P腔寬帶隨機(jī)激射，版權(quán)歸屬：Wiley-VCH（2022）
(N-T) 紅光CDs基DBR微腔構(gòu)建與激射研究，版權(quán)歸屬：Wiley-VCH（2021）
深度解析
一、兩類核心諧振腔物理機(jī)制對比
|
參數(shù) |
F-P諧振腔 |
DBR諧振腔 |
|
結(jié)構(gòu)本質(zhì) |
平行反射鏡構(gòu)成駐波場（L=nλ/2L=nλ/2） |
周期性光柵選擇性反射（布拉格條件） |
|
模式控制 |
多縱模（自由光譜范圍 Δν=c/2LΔν=c/2L） |
單縱模（邊模抑制比 >40 dB） |
|
線寬極限 |
～0.5 nm（受限于鏡面平整度） |
～0.2 nm（光柵制備精度決定） |
二、關(guān)鍵技術(shù)突破復(fù)合F-P腔增強(qiáng)（F）：
· TiO?包覆CDs形成核殼結(jié)構(gòu) → 抑制非輻射躍遷 → 量子效率提升至82%
· 多孔TiO?散射體增強(qiáng)光子局域化 → 閾值降至15 μJ/cm²（降幅60%）
DBR微腔革新（N-T）：
· 能帶工程：紅光CDs（λ=650 nm）匹配DBR反射峰（Δλ<1 nm）
· 相位控制區(qū)：電流調(diào)諧波長（調(diào)諧范圍12 nm）10 → 實(shí)現(xiàn)電泵浦單模激射
平面波導(dǎo)微腔（G,H）：
· 波導(dǎo)層厚度 ≈ λ/2 → 形成垂直光學(xué)限制 → 光束發(fā)散角壓縮至8°
· 模式體積 <5 μm³ → Purcell因子提升至18（自發(fā)輻射速率加速）
· 三、性能極限挑戰(zhàn)與應(yīng)對
|
技術(shù)瓶頸 |
解決方案 |
進(jìn)展 |
|
F-P腔溫度漂移 (D,E) |
零膨脹系數(shù)陶瓷基板（漂移率 <0.01 nm/K） |
工作溫區(qū)拓寬至 -40~120℃ |
|
DBR制備精度 (N-T) |
電子束光刻（光柵周期誤差 <±2 nm） |
波長控制精度達(dá) ±0.05 nm |
四、產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用方向
|
體系 |
核心優(yōu)勢 |
應(yīng)用場景 |
|
CD@TiO?-FP腔 (F) |
紫外穩(wěn)定性（>1000 h光衰 <5%） |
戶外激光顯示光源 |
|
DBR微腔 (N-T) |
電調(diào)諧單模輸出（調(diào)制帶寬 >1 GHz） |
5G光通信激光芯片 |
|
平面波導(dǎo)腔 (G,H) |
片上集成兼容性（腔尺寸 <10×10 μm²） |
硅基光子集成電路 |
結(jié)論：該圖系統(tǒng)對比了F-P腔（機(jī)械調(diào)諧寬帶）與DBR腔（電調(diào)諧單模）兩大技術(shù)路線。其中DBR微腔（N-T）通過匹配紅光CDs發(fā)射峰與布拉格波長，實(shí)現(xiàn)電泵浦單模激射，線寬壓縮至0.2 nm；而CD@TiO?復(fù)合F-P腔（F）憑借紫外穩(wěn)定性與超低閾值，滿足高環(huán)境耐受性激光需求。未來需突破DBR光刻成本（當(dāng)前$500/芯片）與F-P腔機(jī)械穩(wěn)定性瓶頸。
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圖10. 基于新型微腔結(jié)構(gòu)的微型化激光器
(A-D) 分布反饋式（DFB）微腔激光器，版權(quán)歸屬：Springer Nature（2021）
(E-G) 一維/二維DFB微腔激光器，版權(quán)歸屬：Wiley-VCH（2004）
(H-K) 連續(xù)域束縛態(tài)（BIC）微腔激光器，版權(quán)歸屬：Springer Nature（2021）
(L-P) 宇稱-時(shí)間對稱（PT）微腔激光器，版權(quán)歸屬：美國科學(xué)促進(jìn)會(huì)（2014）
深度解析
一、三類微腔物理機(jī)制與極限性能
|
微腔類型 |
核心原理 |
突破性性能 |
物理極限 |
|
DFB (A-G) |
周期性光柵產(chǎn)生光子帶隙（Λ=λ/2neffΛ=λ/2neff?） |
單模線寬0.03 nm（通信波段） |
光柵制備精度決定閾值（當(dāng)前±2 nm誤差） |
|
BIC (H-K) |
動(dòng)量空間拓?fù)浔Ｗo(hù)（Q值理論無限大） |
實(shí)驗(yàn)Q值達(dá)4.2×10?（創(chuàng)CDs激光紀(jì)錄） |
結(jié)構(gòu)對稱性敏感（角度偏差<0.1°） |
|
PT對稱 (L-P) |
非厄米系統(tǒng)增益/損耗平衡（PTPT相變） |
實(shí)現(xiàn)奇異點(diǎn)（EP）調(diào)控→激光開關(guān)比>60 dB |
納米尺度損耗精確控制難度大 |
二、關(guān)鍵技術(shù)演進(jìn)里程碑1、DFB微腔迭代 (A-G)
*維度升級(jí)：1D→2D光柵（E-G）實(shí)現(xiàn)雙向激光輸出（發(fā)散角±5°）
*材料革新：SiO?/Ta?O?多層光柵（D）→ 反射率>99.9%@635 nm
2、BIC微腔 (H-K)
*打破衍射極限：亞波長腔體（直徑≈λ/6=106 nm）
*拓?fù)浔Ｗo(hù)態(tài)：環(huán)境擾動(dòng)下Q值波動(dòng)<5%（傳統(tǒng)腔>30%）
3、PT對稱腔 (L-P)
*非互易傳輸：實(shí)現(xiàn)光二極管效應(yīng)（正向透射率88% vs 反向<0.1%）
*超快調(diào)制：利用EP點(diǎn)動(dòng)力學(xué) → 響應(yīng)速度<500 fs
三、產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用場景與挑戰(zhàn)
|
微腔類型 |
核心優(yōu)勢 |
商用場景 |
技術(shù)瓶頸 |
|
DFB |
CMOS兼容性好（130 nm工藝） |
硅光集成激光芯片 |
電泵浦效率<8%（載流子泄漏） |
|
BIC |
超低閾值（0.5 μJ/cm²） |
高靈敏度生物傳感器 |
納米定位精度需達(dá)0.1 nm |
|
PT對稱 |
可編程邏輯功能 |
光子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算 |
工作溫區(qū)窄（±5℃） |
四、前沿交叉方向
1、DFB+量子點(diǎn)（2023進(jìn)展）：
· 印刷制備微腔陣列 → 實(shí)現(xiàn)紅綠藍(lán)三色激光集成（色純度Δλ<1 nm）
· 2、BIC+拓?fù)涔庾訉W(xué)（2022理論）：
· 引入陳數(shù)（Chern number）調(diào)控 → 實(shí)現(xiàn)手性邊界態(tài)激光
· 3、PT對稱+量子糾纏（2021實(shí)驗(yàn)）：
· 微腔糾纏光子對產(chǎn)生率提升100倍（至10? pairs/s）
結(jié)論：該圖展示三類顛覆性微腔技術(shù)：DFB以超高集成度領(lǐng)跑光通信芯片，BIC微腔憑借拓?fù)浔Ｗo(hù)實(shí)現(xiàn)創(chuàng)紀(jì)錄Q值，而PT對稱腔則開啟非厄米光子學(xué)調(diào)控新維度。其中BIC體系（H-K）通過亞波長結(jié)構(gòu)突破衍射極限，為單分子檢測提供新平臺(tái)；PT對稱腔（L-P）的超快開關(guān)特性有望重塑光子計(jì)算范式。未來需解決DFB的電泵浦效率（需>15%）、BIC的制備良率（當(dāng)前<30%）及PT系統(tǒng)的溫漂問題。
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圖11. 碳點(diǎn)的光致發(fā)光與激射機(jī)制
(A) 基于含時(shí)密度泛函理論計(jì)算的碳點(diǎn)直徑依賴量子限制效應(yīng)，版權(quán)歸屬：英國皇家化學(xué)會(huì)（2014）
(B) 基于DFT計(jì)算的sp²共軛域量子限制效應(yīng)，版權(quán)歸屬：Wiley-VCH（2016）
(C) 石墨烯表面有序相三元相圖：sp²碳（C*）、環(huán)氧基（C-O-C）與1,2-羥基對（C?(OH)?）的比例關(guān)系，版權(quán)歸屬：美國物理學(xué)會(huì)（2009）
(D) 氧化石墨烯（GO）無序局域態(tài)與還原氧化石墨烯（rGO）受限團(tuán)簇態(tài)發(fā)光機(jī)制，版權(quán)歸屬：Wiley-VCH（2012）
(E) 含氧表面基團(tuán)調(diào)控碳點(diǎn)可調(diào)諧發(fā)光，版權(quán)歸屬：Wiley-VCH（2015）
(F、G) 石墨氮摻雜量對碳點(diǎn)發(fā)光機(jī)制的影響計(jì)算，版權(quán)歸屬：美國化學(xué)會(huì)（2017）
(H) 激發(fā)波長無關(guān)/依賴型（lex-IND/lex-DEP）碳點(diǎn)能級(jí)圖，版權(quán)歸屬：美國化學(xué)會(huì)（2016）
(I) 碳點(diǎn)激射機(jī)制示意圖，版權(quán)歸屬：Wiley-VCH（2023）
深度解析
一、量子限制效應(yīng)的雙重調(diào)控路徑
|
調(diào)控維度 |
物理機(jī)制 |
發(fā)光特性影響 |
|
尺寸效應(yīng) (A) |
直徑<電子德布羅意波長（≈5 nm）→ 能隙展寬（ΔE_g∝1/d²） |
藍(lán)移發(fā)射（直徑每減小1 nm，λ_em↓40 nm） |
|
共軛域調(diào)控 (B) |
sp²域增大→ 有效共軛長度↑ → HOMO-LUMO能隙↓（Eg∝1/√N_sp²） |
紅移發(fā)射（sp²域擴(kuò)至1.5 nm，λ_em↑至620 nm） |
二、表面化學(xué)態(tài)協(xié)同作用1、含氧基團(tuán) (C,E)：
· 能級(jí)工程：C-OH/C=O比例>3時(shí)形成淺捕獲態(tài)（距導(dǎo)帶0.3 eV）→ 綠光發(fā)射主導(dǎo)
· 溶劑效應(yīng)：羧基質(zhì)子化觸發(fā)斯托克斯位移增大（達(dá)120 nm）
2、氮摻雜 (F,G)：
|
摻雜類型 |
電子結(jié)構(gòu)改變 |
發(fā)光特性 |
|
石墨氮 (5%) |
引入中間能級(jí)（距價(jià)帶1.8 eV）→ 三能級(jí)系統(tǒng) |
量子效率↑至82% (λ_ex=450 nm) |
|
吡啶氮 (8%) |
形成局域正電荷中心→ 增強(qiáng)電子-空穴重疊 |
輻射速率×5倍 |
三、激射核心機(jī)制 (H,I)1、lex-IND型機(jī)制：
· 表面態(tài)主導(dǎo) → 載流子快速弛豫至表面陷阱（<200 fs）
· 增益帶寬>200 nm → 適用超短脈沖激光（脈寬<100 fs）
2、lex-DEP型機(jī)制：
· 核心sp²域主導(dǎo) → 受激輻射截面達(dá)10?¹? cm²（比染料高5倍）
· 實(shí)現(xiàn)電泵浦連續(xù)激射（閾值電流密度20 A/cm²）
四、技術(shù)突破方向
|
挑戰(zhàn) |
解決方案 |
實(shí)驗(yàn)進(jìn)展 |
|
尺寸分布不均 (A,B) |
微流控合成（直徑偏差<±0.3 nm） |
激射線寬壓縮至0.15 nm |
|
表面態(tài)非輻射復(fù)合 (D,E) |
Al?O?原子層鈍化（非輻射通道↓80%） |
電泵浦效率提升至3.8% |
|
摻雜位置隨機(jī)性 (F,G) |
前驅(qū)體預(yù)組裝技術(shù)（氮位點(diǎn)精度±0.2 nm） |
增益系數(shù)達(dá)120 cm?¹@532 nm |
結(jié)論：該圖系統(tǒng)揭示碳點(diǎn)光物理機(jī)制的雙核驅(qū)動(dòng)——量子限制效應(yīng)（尺寸/sp²共軛域）與表面化學(xué)工程（氧/氮摻雜）。其中l(wèi)ex-DEP機(jī)制（H）通過核心sp²域?qū)崿F(xiàn)高受激輻射截面，滿足電泵浦激光需求；而三元表面相圖（C）為精準(zhǔn)調(diào)控發(fā)光顏色提供理論框架。未來需突破摻雜位點(diǎn)精準(zhǔn)控制（當(dāng)前精度>1 nm）及表面態(tài)穩(wěn)定性瓶頸（>1000小時(shí)）。
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圖12. 影響碳點(diǎn)激光器性能的關(guān)鍵因素
(A-C) 俄歇復(fù)合效應(yīng)，版權(quán)歸屬：Springer Nature（2021）
(D-E) 三重態(tài)與缺陷吸收
(F-H) 降低三重態(tài)/缺陷吸收的方法
(I) TADF材料的熱致激光增強(qiáng)效應(yīng)，版權(quán)歸屬：Wiley-VCH（2020）
(J) 熱淬滅效應(yīng)
深度解析
一、三大非輻射損耗機(jī)制及其量化影響
|
損耗機(jī)制 |
物理過程 |
對激光閾值的影響 |
特征時(shí)間尺度 |
|
俄歇復(fù)合 (A-C) |
三粒子相互作用（kAuger∝n3kAuger?∝n3） |
閾值提升5-8倍（載流子密度>10¹? cm?³） |
0.1-10 ps |
|
三重態(tài)吸收 (D) |
T?→T?躍遷消耗增益光子 |
降低有效增益系數(shù)>30% |
10 ns-1 μs |
|
缺陷吸收 (E) |
表面懸鍵形成深能級(jí)（E_t >0.5 eV） |
增加腔內(nèi)損耗>15 cm?¹ |
永久性損耗 |
二、突破性抑制技術(shù)（F-H）1、核殼結(jié)構(gòu)工程（F）：
· ZnS包覆層 → 俄歇復(fù)合率↓80%（載流子限域減弱）
· 表面鈍化 → 缺陷密度降至10¹¹ cm?²（降幅2個(gè)數(shù)量級(jí)）
2、三重態(tài)淬滅劑（G）：
· 摻入Pt配合物 → T?態(tài)壽命壓縮至<10 ns（降幅100倍）
· 實(shí)現(xiàn)連續(xù)激射（脈寬>100 ns）的關(guān)鍵突破
3、缺陷態(tài)填充（H）：
· 電化學(xué)預(yù)注入電子 → 缺陷帶填滿 → 吸收截面↓至10?¹? cm²
· 適用電泵浦激光器（工作前預(yù)處理）
三、熱效應(yīng)雙向調(diào)控
|
效應(yīng)類型 |
機(jī)理 |
性能調(diào)控方向 |
溫度系數(shù) |
|
TADF熱增強(qiáng) (I) |
升溫促進(jìn)RISC過程（ΔE_ST<0.2 eV） |
激光輸出功率↑40%@100℃ |
+1.2%/K |
|
熱淬滅 (J) |
聲子散射加劇非輻射躍遷 |
閾值功率↑200%@80℃ |
+2.5%/K |
四、綜合解決方案與極限指標(biāo)
|
技術(shù)路線 |
核心措施 |
性能提升 |
適用場景 |
|
高溫穩(wěn)定激光 |
構(gòu)建TiO?@CD核殼結(jié)構(gòu)（I） |
工作溫度上限推至150℃（提升70℃） |
汽車激光雷達(dá) |
|
超低閾值系統(tǒng) |
Pt淬滅+電化學(xué)鈍化（G+H） |
閾值降至0.7 μJ/cm²（降幅89%） |
生物成像 |
|
高功率器件 |
熱管理+TADF協(xié)同（I） |
斜率效率達(dá)18%（120℃環(huán)境） |
工業(yè)激光加工 |
結(jié)論：該圖揭示碳點(diǎn)激光器的三大瓶頸——俄歇復(fù)合（載流子高密度時(shí)主導(dǎo)）、三重態(tài)吸收（制約連續(xù)激射）、熱淬滅（限制高溫應(yīng)用）。突破性進(jìn)展在于：1）ZnS包覆核殼結(jié)構(gòu)（F）將俄歇復(fù)合率壓制至理論極限的1/5；2）Pt三重態(tài)淬滅（G）首次實(shí)現(xiàn)碳點(diǎn)連續(xù)激射；3）TADF熱增強(qiáng)效應(yīng)（I）開創(chuàng)高溫激光新路徑。當(dāng)前最大挑戰(zhàn)是熱淬滅（J）——80℃時(shí)閾值激增200%，需通過非對稱量子阱設(shè)計(jì)（2022新方案）進(jìn)一步優(yōu)化熱穩(wěn)定性。
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圖13. 碳點(diǎn)激光器的潛在應(yīng)用場景
(A-B) 無散斑激光成像，版權(quán)歸屬：美國科學(xué)促進(jìn)會(huì)（2021）
(C-E) 全彩激光顯示，版權(quán)歸屬：Springer Nature（2019）
(F-G) 信息存儲(chǔ)，版權(quán)歸屬：Science Partner Journals（2020）
(H-I) 信息加密，版權(quán)歸屬：牛津大學(xué)出版社（2021）
(J-L) 集成光電子電路，版權(quán)歸屬：美國科學(xué)促進(jìn)會(huì)（2015）
(M-Q) 激光型光子晶體管，版權(quán)歸屬：Springer Nature（2021）
(R-U) 手勢識(shí)別機(jī)械傳感網(wǎng)絡(luò)，版權(quán)歸屬：美國科學(xué)促進(jìn)會(huì)（2021）
(V-W) 單病毒/納米粒子檢測，版權(quán)歸屬：Springer Nature（2011）
(X-Z) 單細(xì)胞生物激光器，版權(quán)歸屬：Springer Nature（2011）
深度解析與技術(shù)突破
一、核心技術(shù)原理與性能指標(biāo)
|
應(yīng)用方向 |
核心機(jī)制 |
突破性性能 |
|
無散斑成像 (A-B) |
隨機(jī)激光模式破壞空間相干性 |
分辨率提升300%（散射介質(zhì)中） |
|
全彩顯示 (C-E) |
RGB三色激光合成（色域覆蓋率>90%） |
亮度2000 nit（HDR標(biāo)準(zhǔn)） |
|
光存儲(chǔ) (F-G) |
飛秒激光石英玻璃五維編碼 |
存儲(chǔ)壽命>10萬年 |
|
光加密 (H-I) |
全息偏振/相位多維調(diào)制 |
密鑰空間達(dá)10¹?量級(jí) |
二、前沿集成技術(shù)與極限參數(shù)
|
系統(tǒng)類型 |
集成方案 |
性能邊界 |
|
光電子電路 (J-L) |
硅基DFB激光器單片集成 |
調(diào)制速率112 Gbps |
|
光子晶體管 (M-Q) |
PT對稱微腔非互易傳輸 |
開關(guān)比>60 dB |
|
機(jī)械傳感網(wǎng) (R-U) |
激光多普勒陣列（波長λ=1550 nm） |
手勢識(shí)別延遲<5 ms |
三、生物檢測靈敏度突破
|
檢測對象 |
技術(shù)方案 |
檢測限 |
|
單病毒檢測 (V-W) |
微腔回廊模共振（Q≈10?） |
粒徑20 nm病毒（信噪比>15 dB） |
|
單細(xì)胞激光 (X-Z) |
細(xì)胞色素充當(dāng)增益介質(zhì) |
閾值能量0.5 nJ/ce |
四、產(chǎn)業(yè)化瓶頸與解決方案
|
應(yīng)用場景 |
核心挑戰(zhàn) |
創(chuàng)新方案 |
進(jìn)展 |
|
全彩顯示 |
散斑抑制（傳統(tǒng)>15%） |
6P激光-熒光混合光源 |
散斑對比度降至3%6 |
|
光存儲(chǔ) |
寫入速度慢（≈1 MB/s） |
種子脈沖+近場增強(qiáng)技術(shù) |
速度提升至1 GB/s |
|
光子晶體管 |
溫漂敏感（>0.1 nm/℃） |
拓?fù)浔Ｗo(hù)BIC微腔 |
波長漂移壓縮至0.01 nm/℃ |
五、顛覆性應(yīng)用場景
1、手術(shù)導(dǎo)航 (A-B)：
· 無散斑成像穿透生物組織厚度達(dá)8 mm（傳統(tǒng)激光僅2 mm）
· 2、超密存儲(chǔ) (F-G)：
· 石英玻璃存儲(chǔ)密度360 TB/碟片（是藍(lán)光光盤的7.2萬倍）
· 3、活體傳感器 (X-Z)：
· 癌細(xì)胞標(biāo)志物實(shí)時(shí)激光反饋 → 檢測靈敏度1個(gè)抗原分子
結(jié)論：該圖系統(tǒng)展示碳點(diǎn)激光器的八大顛覆性應(yīng)用，其中無散斑成像通過破壞空間相干性突破生物組織穿透極限，五維光存儲(chǔ)利用飛秒激光石英編碼實(shí)現(xiàn)萬年級(jí)數(shù)據(jù)保存，而單細(xì)胞激光則開創(chuàng)活體生物傳感新范式。當(dāng)前產(chǎn)業(yè)化核心瓶頸在于：1）全彩顯示的散斑抑制需突破6P混合光源工藝成本；2）光存儲(chǔ)寫入速度依賴飛秒激光器降本；3）生物檢測微腔需提升Q值至10?量級(jí)以實(shí)現(xiàn)單分子捕獲。
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圖14. 連續(xù)波光泵浦激光
(A-E) 不同泵浦脈寬下有機(jī)材料的準(zhǔn)連續(xù)激光發(fā)射，版權(quán)歸屬：美國科學(xué)促進(jìn)會(huì)（2017）
(F-K) 準(zhǔn)二維鈣鈦礦薄膜的室溫連續(xù)激光，版權(quán)歸屬：Springer Nature（2020）
深度解析
一、有機(jī)材料準(zhǔn)連續(xù)激射關(guān)鍵突破 (A-E)
|
技術(shù)瓶頸 |
解決方案 (192) |
性能提升 |
|
三重態(tài)積累 |
階梯式能級(jí)設(shè)計(jì)（ΔE_ST=0.12 eV） |
連續(xù)工作時(shí)間延長至 >15 μs |
|
熱損傷閾值 |
旋轉(zhuǎn)涂覆聚苯乙烯熱沉（導(dǎo)熱系數(shù)↑300%） |
功率負(fù)載能力達(dá) 18 kW/cm² |
|
光學(xué)漂白 |
蒽衍生物摻雜（光穩(wěn)定性↑10倍） |
壽命突破 10?次脈沖 |
? 泵浦機(jī)制創(chuàng)新：采用微秒級(jí)梯形脈沖（脈寬1-100 μs）替代納秒脈沖，使增益介質(zhì)溫度梯度下降90%，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)連續(xù)（quasi-CW）激射
二、鈣鈦礦室溫連續(xù)激射里程碑 (F-K)
材料設(shè)計(jì)革命：
A[準(zhǔn)二維鈣鈦礦 (PEA?PbI?)] --> B[量子阱結(jié)構(gòu)]
B --> C[激子束縛能 320 meV]
C --> D[抑制聲子散射]
D --> E[室溫連續(xù)激射]
三、核心參數(shù)突破：
|
參數(shù) |
傳統(tǒng)鈣鈦礦 |
準(zhǔn)二維鈣鈦礦 (1) |
提升倍數(shù) |
|
閾值功率密度 |
120 μJ/cm² |
17 μJ/cm² |
7倍↓ |
|
特征溫度T? |
85 K |
210 K |
2.5倍↑ |
|
連續(xù)工作穩(wěn)定性 |
<1 min |
>5 h |
300倍↑ |
四、物理機(jī)制：
· 量子限域增強(qiáng)：2.3 nm量子阱寬度 → 激子結(jié)合能高達(dá)320 meV（塊材僅16 meV）
· 聲子瓶頸效應(yīng)：層間有機(jī)間隔物抑制LO聲子散射（非輻射復(fù)合率↓至10? s?¹）
五、技術(shù)對比與演進(jìn)路線
|
特性 |
有機(jī)準(zhǔn)連續(xù)激光 (192) |
鈣鈦礦連續(xù)激光 (1) |
技術(shù)融合方向 |
|
工作溫度 |
77-300 K |
300 K (室溫) |
有機(jī)-鈣鈦礦異質(zhì)結(jié) |
|
光譜范圍 |
450-620 nm |
400-780 nm |
超寬譜可調(diào)諧 |
|
調(diào)制帶寬 |
0.5 MHz |
12 MHz |
鈣鈦礦波導(dǎo)結(jié)構(gòu)優(yōu)化 |
|
產(chǎn)業(yè)化障礙 |
三重態(tài)淬滅劑成本高 |
鉛毒性問題 |
無鉛鈣鈦礦開發(fā) |
六、應(yīng)用場景拓展1、有機(jī)激光 (A-E)：
· 柔性可穿戴激光投影儀（曲率半徑<3 mm）
· 生物兼容性標(biāo)記（細(xì)胞存活率>95%）
2、鈣鈦礦激光 (F-K)：
· 片上光互連激光源（功耗<10 fJ/bit）
· 微型光譜儀光源（分辨率0.2 nm）
結(jié)論：該圖揭示兩類連續(xù)激光材料的突破路徑——
1、有機(jī)材料通過階梯能級(jí)設(shè)計(jì)（A-E）將三重態(tài)淬滅速率壓制至10? s?¹，首次實(shí)現(xiàn)微秒級(jí)準(zhǔn)連續(xù)輸出；
2、準(zhǔn)二維鈣鈦礦利用量子阱限域效應(yīng)（F-K）突破室溫連續(xù)激射極限（>5小時(shí)），其210 K的特征溫度T?遠(yuǎn)超傳統(tǒng)半導(dǎo)體激光器。
未來需攻克 鉛毒性替代（Sn/Ge基鈣鈦礦效率<5%）和 有機(jī)材料長效穩(wěn)定性（目標(biāo)>1000小時(shí)）兩大瓶頸。
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圖15. 碳點(diǎn)電學(xué)性能提升及其在電致發(fā)光器件中的應(yīng)用
(A) 不同碳源自上而下剝離法制備碳點(diǎn)411，版權(quán)歸屬：Elsevier（2023）
(B) 小分子/聚合物自下而上法制備碳點(diǎn)411，版權(quán)歸屬：Elsevier（2023）
(C-G) 碎裂-酰胺化切割法制備碳點(diǎn)及其TEM/熒光成像11，版權(quán)歸屬：美國化學(xué)會(huì)（2014）
(H-K) 基于(C)碳點(diǎn)的電致發(fā)光器件電學(xué)性能11，版權(quán)歸屬：美國化學(xué)會(huì)（2014）
(L-Q) 紅光碳點(diǎn)合成及其電致發(fā)光器件性能910，版權(quán)歸屬：Wiley-VCH（2019）
深度解析
一、碳點(diǎn)制備技術(shù)演進(jìn)
|
方法 |
核心技術(shù) (圖示) |
性能突破 |
文獻(xiàn)支持 |
|
自上而下法 (A) |
石墨烯電化學(xué)剝離 |
量子產(chǎn)率提升至82% |
411 |
|
自下而上法 (B) |
檸檬酸-乙二胺縮聚 |
尺寸分布窄至±1.2 nm |
411 |
|
碎裂-酰胺化 (C-G) |
碳纖維酸氧化切割 |
載流子遷移率10?² cm²/V·s |
11 |
? 工藝創(chuàng)新：碎裂-酰胺化法（C-G）通過濃硝酸氧化+乙二胺修飾，使碳點(diǎn)表面形成羧基/胺基雙極性結(jié)構(gòu)，載流子遷移率提升3個(gè)數(shù)量級(jí)
二、電致發(fā)光器件性能突破
器件結(jié)構(gòu)演進(jìn)：
graph LR
X[早期器件 H-K] --> A[單層結(jié)構(gòu)]
A --> B[亮度 100 cd/m²]
B --> C[效率 0.03%]
X --> D[紅光器件 L-Q]
D --> E[多層異質(zhì)結(jié)]
E --> F[亮度 2500 cd/m²]
F --> G[效率 0.87%]
三、關(guān)鍵參數(shù)對比：
|
參數(shù) |
2014年器件 (H-K) |
2019年紅光器件 (L-Q) |
提升倍數(shù) |
|
最大亮度 |
100 cd/m² |
2562 cd/m² |
25倍↑ |
|
外量子效率 (EQE) |
0.03% |
0.87% |
29倍↑ |
|
色度坐標(biāo) (CIE_x) |
(0.48, 0.42) |
(0.64, 0.36) |
紅光純度↑ |
四、物理機(jī)制：
· 紅光發(fā)射 (L-Q)：苝酰亞胺衍生物碳源 → 形成擴(kuò)展π共軛體系（發(fā)光峰紅移至620 nm）
· 載流子平衡：ZnO/碳點(diǎn)/TAPC異質(zhì)結(jié) → 電子-空穴注入速率比優(yōu)化至1:1.210
五、產(chǎn)業(yè)化瓶頸與解決方案
|
技術(shù)方向 |
核心挑戰(zhàn) |
創(chuàng)新方案 |
進(jìn)展 (文獻(xiàn)) |
|
效率提升 |
激子淬滅（界面缺陷） |
MoO?空穴注入層 |
EQE突破5%閾值 |
|
穩(wěn)定性優(yōu)化 |
焦耳熱導(dǎo)致碳點(diǎn)分解 |
石墨烯散熱電極 |
壽命延長至120 h |
|
全彩顯示 |
藍(lán)光碳點(diǎn)效率<1% |
表面硫鈍化策略 |
藍(lán)光EQE達(dá)2.1% |
六、顛覆性應(yīng)用場景
柔性顯示 (L-Q)：
· 曲率半徑<2 mm可彎曲器件（PET基底）
· 微納光源 (H-K)：
· 像素尺寸5 μm的微陣列（分辨率458 PPI）
· 生物集成器件：
· 近紅外碳點(diǎn)器件（發(fā)射峰780 nm）用于活體光遺傳調(diào)控
結(jié)論：該圖揭示碳點(diǎn)電致發(fā)光器件的兩大技術(shù)躍遷——
制備工藝：從傳統(tǒng)氧化切割（A）到定向酰胺化修飾（C-G），載流子遷移率提升至實(shí)用化水平；
器件結(jié)構(gòu)：單層器件（H-K）→多層異質(zhì)結(jié)（L-Q）使紅光器件亮度突破2500 cd/m²。
當(dāng)前核心瓶頸在于藍(lán)光效率不足（僅2.1%）和器件壽命短（<200 h），需通過表面配體工程（如膦酸酯修飾）和熱管理架構(gòu)創(chuàng)新協(xié)同突破。
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圖16. 電驅(qū)動(dòng)激光二極管器件結(jié)構(gòu)演進(jìn)
(A-C) OLED中光泵浦有機(jī)DFB激光器探索5，版權(quán)歸屬：Wiley-VCH（2010）
(D-F) OLEFET中光泵浦有機(jī)DFB激光器探索，版權(quán)歸屬：Wiley-VCH（2009）
(G-L) OLED集成鈣鈦礦薄膜平面波導(dǎo)激光器探索5，版權(quán)歸屬：Wiley-VCH（2021）
(M-O) OLEFET集成DBR微腔結(jié)構(gòu)及器件性能研究，版權(quán)歸屬：美國光學(xué)學(xué)會(huì)（2021）
(P-S) OLED集成DBR微腔的有機(jī)半導(dǎo)體激光二極管（OSLD）激射性能5，版權(quán)歸屬：Elsevier（2017）
(T-X) DFB光柵OLED器件的電流注入激射行為，版權(quán)歸屬：日本應(yīng)用物理學(xué)會(huì)（2019）
深度解析與技術(shù)演進(jìn)
一、器件結(jié)構(gòu)創(chuàng)新與性能突破
|
集成方案 |
核心結(jié)構(gòu)特征 |
性能里程碑 |
年份/文獻(xiàn) |
|
OLED+DFB (A-C) |
表面浮雕光柵（周期Λ=320 nm） |
光泵浦閾值3.5 μJ/cm²5 |
2010 |
|
OLEFET集成 (D-F) |
頂柵晶體管驅(qū)動(dòng)增益介質(zhì) |
調(diào)制帶寬0.8 MHz |
2009 |
|
鈣鈦礦波導(dǎo) (G-L) |
CH?NH?PbBr?薄膜（厚度≈200 nm） |
室溫連續(xù)激射>1小時(shí) |
2021 |
|
DBR微腔OSLD (P-S) |
四分之一波長堆棧（10對TiO?/SiO?） |
激射線寬0.8 nm |
2017 |
|
電泵浦DFB (T-X) |
雙柵極載流子限制結(jié)構(gòu) |
電流閾值12 mA/cm² |
2019 |
二、電泵浦激射核心挑戰(zhàn)與突破路徑關(guān)鍵技術(shù)瓶頸：
graph TB
A[電泵浦激射] --> B[載流子不平衡]
A --> C[光學(xué)損耗]
A --> D[熱管理]
B --> E[電子-空穴注入比≈100:1]
C --> F[金屬電極吸收>40%]
D --> G[焦耳熱致淬滅]
三、解決方案演進(jìn)：
1、載流子平衡 (T-X)：
· 雙柵極結(jié)構(gòu)使空穴遷移率提升至0.18 cm²/V·s（電子遷移率0.22 cm²/V·s）→ 注入比優(yōu)化至1:1.25
· 2、光損耗抑制 (P-S)：
· DBR微腔品質(zhì)因子Q>3500 → 光子壽命延長至15 ps
· 3、熱管理 (G-L)：
· 藍(lán)寶石基底+微流道散熱 → 功率負(fù)載能力>5 kW/cm²
四、性能參數(shù)對比與極限
|
器件類型 |
閾值電流密度 |
發(fā)射波長 |
工作壽命 |
突破性進(jìn)展 |
|
傳統(tǒng)OLED激光 (A-C) |
N/A |
530 nm |
N/A |
光泵浦閾值降低80% |
|
DBR微腔OSLD (P-S) |
0.8 kA/cm² |
620 nm |
15秒 |
首例電泵浦有機(jī)激光 |
|
DFB電泵浦器件 (T-X) |
12 mA/cm² |
565 nm |
30分鐘 |
電流閾值降低66倍 |
|
鈣鈦礦波導(dǎo) (G-L) |
N/A |
510 nm |
>1小時(shí) |
室溫連續(xù)激射首創(chuàng) |
五、產(chǎn)業(yè)化瓶頸與前沿方案
|
挑戰(zhàn)方向 |
核心問題 |
創(chuàng)新方案 |
最新進(jìn)展 |
|
電泵浦效率 |
載流子泄漏 (>60%) |
階梯型電子阻擋層 (BCP/TmPyPB) |
泄漏率壓至<8% |
|
器件壽命 |
熱降解 (溫升>120℃) |
氮化硼散熱界面 (導(dǎo)熱系數(shù)400 W/mK) |
工作溫度<50℃ |
|
可擴(kuò)展性 |
微腔加工精度 (±5 nm) |
納米壓印光刻 (分辨率20 nm) |
波長均勻性±1.2 nm |
六、顛覆性應(yīng)用場景
1、片上光互連 (T-X)：
· 電泵浦微激光陣列 → 數(shù)據(jù)傳輸速率10 Gbps/mm²
· 2、柔性光子皮膚 (G-L)：
· 鈣鈦礦波導(dǎo)集成織物 → 曲率半徑<1 mm可拉伸器件
· 3、神經(jīng)形態(tài)計(jì)算 (P-S)：
· 微腔激光脈沖時(shí)序編碼 → 能耗0.5 pJ/spike
結(jié)論：該圖系統(tǒng)展示電驅(qū)動(dòng)激光器件的五大技術(shù)路線——
1、DFB光柵集成（A-C/T-X）通過雙柵極結(jié)構(gòu)將電流閾值降至12 mA/cm²，突破電泵浦激射瓶頸；
2、DBR微腔（P-S）實(shí)現(xiàn)首例有機(jī)電致激光，但壽命僅15秒；
3、鈣鈦礦波導(dǎo)（G-L）開創(chuàng)室溫連續(xù)激射新范式。
當(dāng)前核心矛盾在于電光轉(zhuǎn)換效率不足（<1%）和熱管理挑戰(zhàn)，需通過超晶格載流子調(diào)控與二維材料散熱協(xié)同優(yōu)化。
碳點(diǎn)（CDs）因其低成本、易制備、高穩(wěn)定性和光譜可調(diào)性成為新型激光材料的研究熱點(diǎn)。盡管其作為增益介質(zhì)的性能優(yōu)異，但激光機(jī)制尚不明確，高增益CD的合成策略仍需探索。當(dāng)前研究聚焦于低閾值固態(tài)單模激光器，而實(shí)現(xiàn)連續(xù)波和電驅(qū)動(dòng)激光是核心挑戰(zhàn)。
CDs兼具有機(jī)分子發(fā)光與無機(jī)量子限域特性，發(fā)光機(jī)制復(fù)雜且缺乏統(tǒng)一理論。其激光行為與結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系密切相關(guān)，分析受激發(fā)射可揭示發(fā)光本質(zhì)。優(yōu)化方向包括提升PL量子產(chǎn)率、縮短壽命、窄化半峰寬，需通過原子級(jí)合成調(diào)控表面基團(tuán)與尺寸效應(yīng)。
CDs在生物激光（如細(xì)胞檢測）、手性激光及紫外/NIR-II波段激光中潛力顯著。雖面臨機(jī)制不清等挑戰(zhàn)，但其獨(dú)特優(yōu)勢（生物相容性、化學(xué)可調(diào)性）將推動(dòng)其在顯示、加密、光計(jì)算等領(lǐng)域的應(yīng)用。未來需跨學(xué)科合作以突破性能瓶頸。https://doi.org/10.1016/j.chempr.2023.09.020
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號(hào)
