北京师范大学化学学院张洋、范楼珍团队在《Nature Synthesis》发表重要研究成果：突破碳基光源“纯紫光极限”，六边形氧掺杂碳量子环实现高色纯度纯紫光电致发光
文章导读
还在为下一代显示技术难以突破色彩极限而困扰吗？北京师范大学团队用六边形氧掺杂碳量子环创造了奇迹！这项发表于《Nature Synthesis》的研究不仅实现了393nm纯紫光发射，更以18nm超窄半峰宽和近乎100%量子产率打破了碳基光源的"纯紫光极限"。通过独创的固相合成技术，科学家们首次观察到这种材料在金属表面自组装形成的完美六边形结构。更令人振奋的是，基于该材料打造的发光器件色纯度接近人眼分辨极限，亮度达1634 cd/m²，为超高清显示、AR/VR设备带来了突破性解决方案。这项突破不仅填补了国际显示材料领域长期空白，更为碳基发光材料开辟了全新设计范式。
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在下一代超高清显示和广色域技术快速发展的背景下，开发能够逼近人眼视觉极限的高色纯度、高效率电致发光材料，是突破现有显示技术瓶颈、实现自然色彩精准还原的核心科学问题之一。尤其是在实现宽色域标准Rec.2020的过程中，纯紫光光源因能有效拓展蓝端色域，被视为实现全光谱高逼真度显示的关键。然而，最大发射波长＜400 nm、半峰宽＜20 nm且量子产率接近100%的理想纯紫光材料长期缺失，成为国际显示材料领域公认的难题。
针对这一基础科学难题，北京师范大学化学学院张洋与范楼珍团队，通过原创性的结构设计策略，制备了一种六边形中空结构的氧掺杂碳量子环（OD-CQRs），实现了兼具窄谱带（FWHM=18 nm）、纯紫光（393 nm）、近乎100%量子产率的光致发光性能。这一指标组合在碳基发光材料中前所未有，在国际范围内也极具突破性。研究团队采用固相合成路线获得结构高度规整的OD-CQRs，并利用扫描隧道显微镜首次揭示其在Au(111)表面上形成紧密自组装的六边形环状骨架。理论计算进一步指出，氧原子的周期性嵌入显著提升了体系的结构刚性并抑制π电子离域与激发态振动弛豫，使材料同时具备极窄谱宽与高辐射跃迁效率这两项通常难以兼得的特性。
OD-CQRs的合成策略、结构表征和光谱性质
基于OD-CQRs的纯紫光电致发光器件表现出极高色纯度，色度坐标CIE为(0.161, 0.017)，接近人眼可分辨边界，同时实现了1634 cd m-2的亮度和4.4%的外量子效率。这一成果为纯紫光LED在广色域全彩显示、AR/VR光引擎等前沿应用中的落地提供了重要材料基础，也为今后设计“窄谱带+近100% PLQY”新型碳基发光材料开辟了新的研究方向。
基于OD-CQRs的电致发光器件性质
相关成果以“Pure-violet oxygen-doped carbon quantum rings with near-unity quantum yield and a full-width at half-maximum of 18 nm”为题发表在Nature Synthesis。论文的第一完成单位为北京师范大学，第一作者为2023级博士生宋先之，通讯作者为北京师范大学副教授张洋，教授袁方龙、范楼珍，以及北京化工大学教授谭占鳌。该研究得到国家自然科学基金和科技部重点研发项目的资助。
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