近日，中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所納米材料與器件實(shí)驗(yàn)室丁古巧團(tuán)隊(duì)在石墨烯量子點(diǎn)制備及熒光機(jī)制研究方面取得重要進(jìn)展。該工作加深了對(duì)石墨烯量子點(diǎn)發(fā)光機(jī)理的理解，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了對(duì)多變量體系下機(jī)器學(xué)習(xí)輔助材料制備結(jié)果所包含物理內(nèi)涵的闡釋。相關(guān)論文以 “Precursor Symmetry Triggered Modulation of Fluorescence Quantum Yield in Graphene Quantum Dots”為題發(fā)表于Advanced Functional Materials（論文鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202401246）。

近年來，以石墨烯量子點(diǎn)為代表的碳基量子點(diǎn)材料，因其獨(dú)特的sp2–sp3雜化碳納米結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)出優(yōu)異的光、電、磁學(xué)性質(zhì)。在石墨烯量子點(diǎn)“自下而上”法制備中，多變量反應(yīng)體系使其在合成與機(jī)制研究領(lǐng)域面臨系列挑戰(zhàn)。另一方面，機(jī)器學(xué)習(xí)以其高效的分析算法和模型在復(fù)雜體系分析、新型材料設(shè)計(jì)等領(lǐng)域展現(xiàn)了獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。然而，由于具備實(shí)際物理內(nèi)涵的結(jié)構(gòu)特征描述符的缺失，機(jī)器學(xué)習(xí)往往僅能得到難以闡釋物理內(nèi)涵的數(shù)學(xué)模型。這限制了機(jī)器學(xué)習(xí)在相關(guān)研究中的可遷移性和實(shí)用性。針對(duì)上述研究困境，石墨烯粉體課題組博士生陳良鋒、楊思維副研究員結(jié)合群論在分子結(jié)構(gòu)描述上的優(yōu)勢(shì)，通過控制變量實(shí)驗(yàn)與結(jié)構(gòu)化學(xué)理論的結(jié)合，將具有實(shí)際物理含義的描述符應(yīng)用于機(jī)器學(xué)習(xí)中，首次揭示了石墨烯量子點(diǎn)的前驅(qū)體結(jié)構(gòu)與熒光量子產(chǎn)率間關(guān)聯(lián)的物理內(nèi)涵。

該工作利用高結(jié)構(gòu)剛性sp3前驅(qū)體與柔性sp2結(jié)構(gòu)前驅(qū)體之間的“自下而上”反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了石墨烯量子點(diǎn)中sp2–sp3雜化碳納米結(jié)構(gòu)的調(diào)制。結(jié)合熱動(dòng)力學(xué)理論，闡明了sp3剛性結(jié)構(gòu)能通過抑制非輻射躍遷過程提高石墨烯量子點(diǎn)量子產(chǎn)率。進(jìn)一步地，借助群論在描述分子結(jié)構(gòu)方面的優(yōu)勢(shì)，結(jié)合主成份分析，明確了石墨烯量子點(diǎn)制備過程中影響石墨烯量子點(diǎn)熒光量子產(chǎn)率的結(jié)構(gòu)因子（F1）、溫度因子（F2）和濃度因子（F3）三個(gè)決定性因素（圖1）。

圖1. 結(jié)合群論的主成分分析方法揭示雙組份“自下而上”多變量反應(yīng)體系中各種特征參量作用于石墨烯量子點(diǎn)的熒光量子產(chǎn)率物理機(jī)制

更重要的是，與以往基于機(jī)器學(xué)習(xí)的研究工作相比，基于群論的進(jìn)一步探索，首次揭示了機(jī)器學(xué)習(xí)結(jié)果中，分子的簡(jiǎn)正振動(dòng)是前驅(qū)體對(duì)稱性作用于石墨烯量子點(diǎn)量子產(chǎn)率增量的核心物理機(jī)制。基于上述原理的指導(dǎo)，成功獲得了絕對(duì)量子產(chǎn)率高達(dá)83%的石墨烯量子點(diǎn)，其優(yōu)異的光致發(fā)光性能在熒光信息防偽加密中具有廣闊的應(yīng)用前景（圖2）。

圖2. 機(jī)器學(xué)習(xí)結(jié)果指導(dǎo)的高量子產(chǎn)率石墨烯量子點(diǎn)及熒光防偽加密應(yīng)用演示

論文第一作者為我所博士生陳良鋒、楊思維副研究員，通訊作者為楊思維副研究員、丁古巧研究員。相關(guān)工作得到上海市科學(xué)技術(shù)委員會(huì)（21ZR1482800，23YF1455800）、集成電路材料全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題（NKLJC-K2023-01）、院青促會(huì)、所新微之星人才等項(xiàng)目等基金支持。