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室温磷光碳点（RTP CDs）因长寿命、高信噪比和优异稳定性，在信息加密、光电器件、生物医学等领域潜力巨大，但其自旋禁阻和淬灭机制限制了应用。非金属、金属及共掺杂通过调控电子结构、增强自旋-轨道耦合和构建稳定微环境，显著提升RTP性能。本文系统综述了掺杂策略的机理、合成方法、性能调控及多领域应用，并分析当前挑战与未来方向。
曾胜国|董晓静|孙一强|李存成
济南大学化学与化学工程学院，中国山东省济南市250022
摘要
室温磷光碳点（RTP CDs）在信息安全、数据加密、光电子设备和生物医学领域具有巨大应用潜力，这得益于它们长的三重态发光寿命、高信噪比和优异的光稳定性。然而，碳点的固有自旋禁戒性质限制了系统间跃迁（ISC）过程，导致三重态激子的产率较低。此外，三重态激子容易通过非辐射跃迁失活，从而显著缩短了磷光寿命。在各种调控策略中，杂原子掺杂被证明是一种有效的方法，可以显著增强碳点的RTP发光性能，因为它能够调节碳点的电子结构和能级分布，加强自旋-轨道耦合以促进ISC，并构建一个稳定的微环境来稳定三重态激子。在本综述中，我们全面探讨了非金属、金属和共掺杂策略如何调控碳点的RTP性能，重点关注掺杂碳点（D-CDs）的发光机制、合成方法及其性能调制，并进一步讨论了它们在信息安全、光学设备、传感和生物医学领域的潜在应用。最后，我们提出了RTP D-CDs目前面临的挑战和未来发展方向，旨在为高性能RTP碳点的合理设计和应用扩展提供理论和实践指导。
引言
室温磷光（RTP）在信息安全、数据加密、光电子设备和生物医学领域具有显著潜力，这得益于其长的三重态发光寿命、高信噪比和优异的光稳定性[1]、[2]、[3]、[4]、[5]。具有特定结构的有机材料可以通过形成稳定的三重态激子或引入特殊基团来增强系统间跃迁[6]、[7]、[8]，从而实现RTP。然而，现有的有机RTP材料存在余辉寿命短、稳定性差和毒性高等问题，严重限制了其大规模应用。与有机RTP材料相比，碳点（CDs）由于其丰富的前体来源、高度可调的结构和表面化学性质、优异的生物相容性和低成本，在信息安全、光电子设备、光催化和生物医学等领域具有巨大应用潜力[9]、[10]、[11]、[12]、[13]。然而，在常温条件下，碳点的RTP性能受到其固有自旋禁戒性质和非辐射跃迁的显著限制，这阻碍了它们的实际应用[14]、[15]、[16]。因此，一个关键的科学挑战在于通过合理设计碳点的结构并调节其能级来促进三重态激子的有效生成，延长其寿命并抑制其淬灭过程。
为应对这些挑战，研究人员开发了多种调控策略。例如，引入刚性基质可以限制发光分子的运动，利用晶体相工程或聚集效应可以延长三重态激子的寿命[17]、[18]、[19]、[20]。尽管这些方法在提升碳点RTP性能方面取得了显著进展，但它们的有效性往往取决于特定的材料结构或环境条件，难以从根本上调控碳点的激发态过程，从而存在一定的机制限制。相比之下，杂原子掺杂提供了一种更为内在和通用的方法。虽然在合成过程中仍可能使用基质或进行稳定，但主要的调控机制在于直接修改碳点本身的电子结构和能级[21]、[22]、[23]、[24]、[25]、[26]。这种策略通过增强自旋-轨道耦合（SOC）来促进系统间跃迁（ISC），并通过构建的刚性内部环境稳定三重态激子。因此，杂原子掺杂实现了对发光过程的内在和可设计控制，减少了对特定外部基质或精确环境条件的依赖。目前，多种掺杂策略在提升碳点RTP性能方面展示了多级调控潜力。例如，引入非金属原子可以提供额外的杂原子轨道或氢键位点，从而有效调节电子结构，促进n → π*跃迁并稳定三重态激子[27]、[28]、[29]、[30]、[31]。另一方面，金属离子（如Mn2+、Mg2+、Pb2+）的掺入可以引入金属中心能级，促进ISC过程，并促进电荷转移等机制，从而显著增强碳点的RTP发光[32]、[33]、[34]。更重要的是，共掺杂整合了不同元素的功能优势，提供了对能级分布的更强可控性，从而在调节能量转移路径、调整能级和优化发光性能方面展现出广泛潜力[35]、[36]、[37]、[38]、[39]。尽管已有文献探讨了RTP D-CDs的合成和应用，并取得了显著进展，但目前仍缺乏一个系统性的研究框架来阐明掺杂类型、结构调控与性能结果之间的关联。因此，有必要对现有的掺杂策略及其背后的机制进行全面的总结和深入分析，以促进这一研究框架的完善和扩展。
本综述阐明了不同掺杂原子如何通过多种机制和调控策略增强碳点的RTP性能（图1）。首先，从光物理机制的角度出发，我们阐明了掺杂如何在分子和能级尺度上调节激发态动态，为后续策略设计和性能调控奠定了基础。其次，总结了非金属、金属和共掺杂等设计策略，并深入探讨了它们的工作机制和独特优势。不同掺杂类型在重构能级、促进SOC和保护三重态激子方面的独特作用也得到了阐明。此外，还讨论了掺杂对RTP性能的影响，重点关注它们在实现全彩可调RTP、热激活延迟荧光（TADF）-RTP双模发射和水相RTP发射中的作用。最后，系统地梳理了RTP D-CDs在信息安全、光学设备、传感和生物医学等领域的最新应用进展，并提出了当前面临的主要挑战和未来发展方向，旨在为其合理设计和多功能应用提供深入的见解和理论指导。
光物理过程
尽管在碳点荧光特性和机制的研究方面取得了显著进展，但对其RTP机制的探究仍然相对较少[40]。因此，深入研究碳点的RTP生成机制对于构建高性能RTP系统至关重要。碳点的发光过程可以用Jablonski图描述，其核心在于激发态之间的多途径能量转移过程[41]、[42]、[43]。
RTP D-CDs的合成策略
合理设计和控制掺杂策略对于构建RTP D-CDs至关重要。因此，推进RTP D-CDs的制备重点在于合成过程中有效引入掺杂元素，这通常需要对掺杂类型、价态和键合配置进行精确控制，以实现从分子级能级调控到宏观材料结构的系统工程。这种控制与前体密切相关
RTP D-CDs的性能调控
RTP碳点的发光性能不仅取决于其内在的碳核结构，还受到杂原子掺杂引入的表面缺陷状态及其导致的局部微环境调控的显著影响。因此，合理的掺杂设计和结构优化可以有效调节其RTP发光。以下部分将从三个方面系统讨论D-CDs的性能调控策略：RTP D-CDs的潜在应用
基于掺杂策略制备的RTP碳点不仅具有长寿命发光、较大的斯托克斯位移、丰富的激发态多样性以及良好的生物相容性，还实现了可调的RTP颜色、TADF和RTP的双模发射以及水相RTP发射。目前，RTP D-CDs在信息安全、光学设备、传感和检测以及生物医学等众多先进领域具有巨大潜力。在本节中，我们将深入探讨总结与展望
本综述总结了当前用于调控碳点RTP性能的掺杂策略的进展，涵盖了它们的发光机制、合成方法、性能调控和潜在应用。非金属、金属和共掺杂策略的引入通过调节碳点的能级结构和表面状态，增强了SOC以促进ISC，并构建了稳定的微环境来稳定三重态激子，从而实现了长寿命的RTP发光。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（项目编号52573275、52171179）、山东省泰山学者计划（tsqn202507205）、山东省高等学校青年创新团队（2023KJ105）以及济南大学青年教师跨学科融合发展项目2025（XKJC-202502）的支持。
