與二維石墨烯相比，零維石墨烯量子點（GQDs）具有許多不同的特性，如強熒光、非零帶隙和具備溶液加工特性等。GQDs還具有生物兼容性好和毒性低的優點，因而在生物醫學領域有著廣泛的應用。由于邊緣修飾可有效調節納米GQDs材料的性能，GQDs的邊緣效應研究受到了學術界的廣泛關注。目前，GQDs的制備方法主要分為三大類：自上而下法、自下而上法、化學法。

本文詳細介紹了GQDs獨特的光學、電學、熱學和磁學性能等特性，總結了異原子摻雜和復合材料構筑等GQDs功能化的研究進展，討論了GQDs在光學、電學、光電子、生物醫藥、能源、農業等新興交叉領域的應用，分析了GQDs納米材料的巨大潛力及未來發展方向。

01?石墨烯量子點的基本物理特性

圖1?不同尺寸的碳材料（左）及其與能量圖相關的態密度（右）

新材料具有新的物理和化學性質，從而衍生出新的技術與應用。例如，金剛石作為最古老的碳材料，其超高硬度和低介電常數等也一直吸引著不同領域的科學家。20世紀50年代以來，碳材料的研究熱潮，尤其是富勒烯材料的發現，吸引了全世界眾多研究者的關注。其后，日本科學家基于電弧放電法發現了一種新的一維碳材料——碳納米管，其高電子遷移率、手性依賴性和其他獨特性質引起了極大的研究興趣。21世紀石墨烯的發現為認識二維材料優越的物理和化學特性打開了大門，進而引發了許多令人激動的應用前景。

由于石墨烯的電子表現出無靜態質量的狄拉克錐性質，人們開始根據不同維度和不同尺寸來分類理解碳材料的電子、物理和化學性質，如三維塊狀材料（如石墨和金剛石）、二維納米片（如石墨烯）、一維納米線（如碳納米管和石墨烯納米帶）和零維點（如富勒烯和石墨烯量子點（GQDs））。不同尺寸碳材料的電子態密度（DOS）。如圖1所示，不同尺寸碳材料展現出不同的電子態密度（DOS）：三維碳材料的DOS與能量的1/2次方成正比，二維碳材料的DOS為常數，一維材料的DOS為能量的-1/2冪關系。而對于零維材料，其DOS為量子化的，表明GQDs在三維方向均被限制，獨特的量子約束和邊緣效應使GQDs表現出非凡的光學、電學、熱學和磁學性質。

圖2?GQDs的不同性質示意圖

在眾多碳材料中，石墨烯因其優異的物理和化學性質而受到了極大的關注，并推動了許多新應用的發展，如超導魔角石墨烯，超高性能光電探測器和生物醫學應用等。然而盡管石墨烯具有許多優異的性能，其進一步發展與應用仍存在一些局限性，如零帶隙結構、制備成本高、制備大尺寸單晶困難等。2008年，?Andre Geim等人利用電子束刻蝕技術以石墨烯為原料制備了GQDs。GQDs作為碳材料家族的最新成員，繼承了石墨烯材料的高比表面積、高載流子遷移率、高惰性、高穩定性、無毒性和高光熱轉換效率等優良特性（圖2）。自從GQDs被首次發現，人們對GQDs的理化性質及應用進行了廣泛的研究。例如，Tang和Lau等人報道了一種“自下而上”的合成技術（通常稱為Tang-Lau方法），該技術可有效控制GQDs的大小，從而控制其能隙和光電應用性質。然而，由于GQDs是碳材料家族中相對較新的成員，其性能和潛在應用尚未得到充分認識。本文將對GQDs的最新研究進展進行綜述，旨在為GQDs材料的新研究和新應用提供參考和指導。

02?石墨烯量子點的應用

得益于載流子的量子限域效應，GQDs表現出很強的熒光特性，使其在生物醫學領域得到了廣泛的應用，如熒光探針、癌癥監測和治療等。GQDs還具有獨特的邊緣效應，使得我們可通過在其邊緣摻入雜質原子，簡單而有效地對GQDs納米材料進行功能化，從而調節其熒光波長。這種邊緣效應還可以通過與其他物質雜化制備GQDs基復合材料，為各種新應用的開發提供了可能性。如圖3所示，本文詳細介紹了近年來GQDs納米材料在能源、環境、農業、生物醫學、光電探測、氣體傳感等領域新應用。

由于其優異的性能和簡便的制備技術，近年來GQDs在許多領域都實現了令人印象深刻的應用實踐。納米量子點光學和電學的尺寸依賴特性，使GQDs納米材料可應用于寬帶光電探測器、太陽能電池、白光LEDs、熒光探針、激光器和集成光學等光電子領域。GQDs獨特的物化性質還使其在能源獲取與儲存、能源轉化和利用等方面展現出較強的應用價值和增長態勢。憑借其優異的生物兼容性，納米GQDs材料在生物學應用領域同樣也備受關注，如生物醫學、生物標記物、癌癥治療等。此外，GQDs納米材料易于功能化，這有利于拓展其在污染物去除、有害物質檢測以及基于GQDs納米復合材料的農業氮工程方面的應用。有趣的是，由于GQDs能顯著增加根表面表皮細胞的比表面積，GQDs還可作為吸收水分和養分的催化劑，有效促進植物生長。GQDs的大比表面積性質還有利于拓展其在防腐和氣體傳感器領域的廣泛使用。例如，研究人員基于改良的GQDs納米材料開發了Janus微型馬達，實現了超快速的細菌內毒素檢測。

03?石墨烯量子點的制備技術

GQDs的制備方法與材料產率、成本和性能緊密相關，是促進GQDs納米材料廣泛應用的重要一環。如圖4所示，本文對GQDs的不同制備方法進行了綜合分類。目前，大多數文獻將石墨量子點（GQDs）的制備方法劃分為“自下而上”和“自上而下”兩類。通常而言，?“自下而上”方法是基于小分子物質的縮聚反應制備GQDs，而“自上而下”方法主要是基于塊狀碳材料的分解制備GQDs。然而，隨著GQDs制備技術的迅速發展，目前的分類體系需要擴展以涵蓋其他制備方法。在本文中，我們介紹了一個特別的GQDs制備方法，即化學法?；瘜W是研究物質之間產生變化的科學，因此我們可通過物質之間的化學反應合成GQDs的中間產物或前驅體，隨后轉化為GQDs納米材料，此種GQDs制備方法被歸類為化學法。因此，是否涉及GQDs中間體的形成，是化學法與?“自下而上”或“自上而下”制備方法的主要差異所在。

總結與未來展望

量子約束和邊緣效應是量子點的基本內稟性質。GQDs納米材料不僅繼承了石墨烯的諸多特性，還具有強熒光特性、強光學吸收和優異的溶解性等。作為碳材料家族的新興成員，GQDs還展現出極佳的生物兼容性、低毒性和環境友好性。本文詳細介紹了GQDs納米材料的獨特性能，并與其他低維碳材料進行了細致對比。具體而言，本文回顧了GQDs納米材料的三大制備方法，即“自上而下”、“自下而上”和化學法，并綜合GQDs尺寸、功能化、生產成本等因素評價了不同的制備方法；詳細討論了GQDs的電學、光學、磁學、熱學等性質，并分析了不同功能化策略（如原子摻雜和材料復合）對GQDs物理化學性質的影響，及其在生物醫學、能源、光電子、農業等新興領域的廣泛應用前景。

隨著 GQDs納米材料的新特性不斷被發掘，基于GQDs的新應用將繼續涌現。本文基于GQDs的獨特性質，重點闡述了GQDs的未來研究方向和應用前景。區別于其他量子點材料， GQDs無毒性，因此在生物醫學和環境保護方面具有很大的應用潛力。然而許多GQDs的制備流程涉及有毒的化學試劑，因此發展綠色環保的制備技術對GQDs的未來應用至關重要。其次，GQDs納米材料在光電子領域的應用尚處于起步階段。目前，GQDs在光電子學中的應用主要遇到兩個問題：即高質量GQDs薄膜的制備，和如何在不失去量子約束效應的前提下，有效拓寬GQDs的響應波長。為了克服上述問題，有必要對量子點的邊緣效應和量子約束效應進行深入的研究。此外，現階段GQDs的電學和磁學性質研究也較少，GQDs在太陽能電池和發電等領域的應用價值亟待被開發。

審核編輯：黃飛

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