49秒，室温磷光取得新突破！
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提起“夜明珠”，相信大家都不陌生，它能在黑夜中发光的原因就是磷光。因为在黑夜中也能发光这项特性，磷光材料在很多领域都有应用，其中我们最熟悉的可能要数夜光玩具、安全标识了，除此之外，其在防伪、信息加密、显示技术和生物成像等多个领域也具有广泛的应用前景。
磷光材料制作的鸟 图片来源：Wikipedia
为什么会发磷光？
磷光材料在黑夜中发光的这一现象被称为室温磷光（Room temperature phosphorescence; RTP）。简单来说，室温磷光是一种材料在激发光源停止后，仍能在一段时间内持续发出冷光的现象。
磷光材料的发光机制源于内部的“能级跃迁”。磷光材料在受到外界能量激发（常见的如紫外光源激发等）后，获得能量的价电子会发生能级跃迁，从被激发的状态跃迁到基态，在此过程中会以光子的形式释放出能量来，这就是我们见到的磷光。
虽然这段话看起来复杂，但这个过程其实很好理解，就好像一个小孩子坐电梯上了二楼（外界能量激发），然后调皮，一级一级地又从二楼跳回了一楼（能级跃迁）。我们可以把一楼叫做基态，二楼叫做激发态，每一级楼梯就叫一个能级，在跳下来的过程中小孩子会释放能量——在这个例子中我们能感受到的能量释放过程就是楼梯的晃动和我们听到的哐哐的响声，但在价电子的例子中就是光子的释放。
对磷光材料而言，价电子就是一个不那么调皮的小孩，它们会一级一级往下跳，因此这个跳跃的过程会持续很久，表现出来就是磷光会持续很久。但对于另外一种情况而言就完全不同了，价电子是非常不听话的少年，它们会直接从二楼跳到一楼——表现出来就是会突然出现短暂的光，然后就重回黑暗。这种持续很短的发光现象我们称之为荧光。
由于磷光在光激发停止后，仍然可以持续发光一段时间，数秒、数分钟甚至更长，因此磷光在日常生活中具有广泛应用。比如在钟表指针中掺入磷光材料，让我们在夜间也能看清时间。再比如我们的电脑和手机屏幕中也使用了磷光材料。
从低温到室温，磷光材料升级记
不过为了更好的应用磷光现象，科学家们需要尽可能延长磷光的时间，为此，开发室温磷光材料至关重要。这是因为磷光发射还与温度密切相关。
由于磷光发射涉及到的分子内部的能量转移。当分子处于激发态时，其得到的能量可以通过分子自身的振动，以热能的形式消耗，也可以通过向外辐射光子，也就是发光来消耗。低温下，分子振动会减弱，因此更多的能量可以通过发光的形式来散发出来。所以低温下，磷光现象更为明显，例如在77 K的温度下，我们可以观察到很多发光材料都具有磷光发射，不过它们中的很多可能在室温下就无法通过肉眼观察到磷光了。如果要磷光现象为我们更好的所用，我们就需要开发在室温下就具有出色磷光性能的材料。
然而，开发室温磷光材料的研究面临一些困难。
首先，磷光产生的机制复杂，需要深入理解分子内部的能量转移和发射过程。其次，寻找合适的室温磷光材料具有挑战性，因为这些发光材料的分子需要具备特定的结构和性质才能实现长寿命的发光。此外，制备过程需要严格的条件和技术，以确保材料的纯度和稳定性。另外，室温磷光材料的应用领域广泛，需要满足不同场景的需求，这对材料的性能提出了更高的要求。因此，室温磷光材料的研究需要综合考虑材料的结构设计、制备工艺和应用需求，是一项复杂而具有挑战性的科学研究任务。
最近，中国科学院合肥物质院固体所能源材料与器件制造研究部蒋长龙、杨亮研究团队成功设计了一种新方法，制备出了具有从蓝色到绿色的多色超长室温磷光发射的碳化聚合物纳米点材料。相关研究发表在《先进科学》期刊。
在不同波长紫外灯激发下发射不同颜色磷光的室温磷光材料
这种新型室温磷光材料在肉眼可见的磷光余辉时长上最长达到了49秒，磷光量子产率最高达到了19.5%，并且具有出色的抗光漂白性。这些特性使得它在防伪标识和信息加密等领域具有巨大的应用潜力。例如，可以将这种材料应用于高安全性的防伪标签，通过其独特的磷光特性来验证产品的真伪。
a.磷光材料通过丝网印刷制成图案的示意图；b-c.室温磷光材料在信息加密和防伪方面的应用前景展示
该研究在多色长寿命室温磷光发光材料方面的新进展为科学界带来了新的研究方向，也为防伪和信息加密等领域提供了创新的解决方案。随着研究的深入和应用的拓展，相信这种新型碳化聚合物纳米点材料将在未来发挥更加重要的作用 。
作者：杨亮 张启鹏
作者单位：中国科学院合肥物质科学研究院固体物理研究所
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