Correlation Between the Photoluminescene Mechanism and Structure of Carbon Dots

LIU Yize, LI Pengfei, SUN Zaicheng

PDF(3614 KB)
PDF(3614 KB)
Chem J Chin Univ ›› 2025, Vol. 46 ›› Issue (6) : 33-46. DOI: 10.7503/cjcu20250103
Review

Correlation Between the Photoluminescene Mechanism and Structure of Carbon Dots

Author information +
History +

Abstract

As a novel class of zero-dimensional carbon-based nanomaterials, carbon dots(CDs) have demonstrated broad application prospects in bioimaging, optoelectronic devices, and environmental sensing due to their tunable luminescence, low toxicity, and versatile functionality. However, the luminescence mechanisms of CDs remain a central research focus owing to diverse synthesis methods, varied raw material sources, and complex composition-structure characteristics. The elusive nature luminescence mechanism has hindered the rational design and application of CDs with superior fluorescence performance. This article systematically investigates the correlation between the structural characteristics and luminescence mechanisms of CDs, with focused analysis on the roles of five core mechanisms: quantum confinement effect, effective conjugate length, surface-edge states, molecular states, and cross-link enhanced emission effects. The comprehensive analysis aims to provide theoretical guidance for the controlled synthesis and functional applications of CDs with superior fluorescence performance.

Key words

Carbon dots / Luminescence mechanisms / Carbon-based nanomaterial / Structural composition

Cite this article

Download Citations
LIU Yize , LI Pengfei , SUN Zaicheng. Correlation Between the Photoluminescene Mechanism and Structure of Carbon Dots. Chemical Journal of Chinese Universities. 2025, 46(6): 33-46 https://doi.org/10.7503/cjcu20250103

References

1
Hu Y., Seivert O., Tang Y., Karahan H. E., Bianco A., Angew. Chem. Int. Ed., 202463(48), e202412341
2
Tao S., Feng T., Zheng C., Zhu S., Yang B., J. Phys. Chem. Lett., 201910(17), 5182—5188
3
Xu X., Ray R., Gu Y., Ploehn H. J., Gearheart L., Raker K., Scrivens W. A., J. Am. Chem. Soc., 2004126(40), 12736—12737
4
Sun Y. P., Zhou B., Lin Y., Wang W., Fernando K. A. S., Pathak P., Meziani M. J., Harruff B. A., Wang X., Wang H., Luo P. G., Yang H., Kose M. E., Chen B., Veca L. M., Xie S. Y., J. Am. Chem. Soc., 2006128(24), 7756—7757
5
Shen C., Lou Q., Liu K., Dong L., Shan C., Nano Today 202035, 100954
6
Li S., Li L., Tu H., Zhang H., Silvester D. S., Banks C. E., Zou G., Hou H., Ji X., Mater. Today 202151, 188—207
7
Alafeef M., Srivastava I., Aditya T., Pan D., Small 202420(4), e2303937
8
Liu H., Zhong X., Pan Q., Zhang Y., Deng W., Zou G., Hou H., Ji X., Coord. Chem. Rev., 2024498, 215468
9
Hettiarachchi S. D., Graham R. M., Mintz K. J., Zhou Y., Vanni S., Peng Z., Leblanc R. M., Nanoscale 201911(13), 6192—6205
10
Jiang L., Cai H., Zhou W., Li Z., Zhang L., Bi H., Adv. Mater., 202335(21), e2210776
11
Ji C., Xu W., Han Q., Zhao T., Deng J., Peng Z., Nano Energy 2023114, 108623
12
Yuan T., Yuan F., Li X., Li Y., Fan L., Yang S., Chem. Sci., 2019 10(42), 9801—9806
13
Cao L., Zan M., Chen F., Kou X., Liu Y., Wang P., Mei Q., Hou Z., Dong W., Li L., Carbon 2022194, 42—51
14
Shi J., Lu C., Yan D., Ma L., Biosens. Bioelectron., 201345, 58—64
15
Amjadi M., Manzoori J. L., Hallaj T., Sorouraddin M. H., Spectrochim. Acta A 2014122, 715—720
16
Liu J., Li R., Yang B., ACS Cent. Sci., 20206(12), 2179—2195
17
Yang S., Li Y., Chen L., Wang H., Shang L., He P., Dong H., Wang G., Ding G., Small 202319(31), e2205957
18
Song J., Kang M., Ji S., Ye S., Guo J., Nanomaterials 202515(2), 81
19
Yu J., Yong X., Tang Z., Yang B., Lu S., J. Phys. Chem. Lett., 202112(32), 7671—7687
20
Tao S., Zhou C., Kang C., Zhu S., Feng T., Zhang S., Ding Z., Zheng C., Xia C., Yang B., Light⁃Sci. Appl., 202211(1), 56
21
Mintz K. J., Bartoli M., Rovere M., Zhou Y., Hettiarachchi S. D., Paudyal S., Chen J., Domena J. B., Liyanage P. Y., Sampson R., Khadka D., Pandey R. R., Huang S., Chusuei C. C., Tagliaferro A., Leblanc R. M., Carbon 2021 173, 433—447
22
Tetsuka H., Nagoya A., Fukusumi T., Matsui T., Adv. Mater., 201628(23), 4632—4638
23
Liu Y., Huang Z., Wang X., Hao Y., Yang J., Wang H., Qu S., Adv. Funct. Mater., 2024 35(17), 2420587
24
You W., Zou W., Jiang S., Zhang J., Ge Y., Lu G., Bahnemann D. W., Pan J., Carbon Neutralization 20243(2), 245—284
25
Wang B., Waterhouse G. I. N., Yang B., Lu S., Acc. Chem. Res., 2024, 57(19), 2928—2939
26
Liu M., Chen B., Li C., Huang C., Green Chem., 201921(3), 449—471
27
Xue S., Li P., Sun L., An L., Qu D., Wang X., Sun Z., Small 202319(31), e2206180
28
Jiang Y., Zhao T., Xu W., Peng Z., Carbon 2024219, 118838
29
Ding H., Wei J., Zhang P., Zhou Z., Gao Q., Xiong H., Small201814(22), 1800612
30
Wei S., Yin X., Li H., Du X., Zhang L., Yang Q., Yang R., Chemistry 202026(36), 8129—8136
31
Liu C., Wang R., Wang B., Deng Z., Jin Y., Kang Y., Chen J., Microchim. Acta2018185, 1—8
32
Kasprzyk W., Romańczyk P. P., Starzak K., Wysocka A., Waluda Ł., Świergosz T., Bashmakova N. V., Klishevich G. V., Dmytruk A. M., Klyuyev I. S., Bondar M. V., Small Struct.20256(3), 2400583
33
Tao S., Lu S., Geng Y., Zhu S., Redfern S. A. T., Song Y., Feng T., Xu W., Yang B., Angew. Chem. Int. Ed., 201857(9), 2393—2398
34
Ai L., Yang Y., Wang B., Chang J., Tang Z., Yang B., Lu S., Sci. Bull., 202166(8), 839—856
35
Tao K., Fan Z., Sun L., Makam P., Tian Z., Ruegsegger M., ShahamNiv S., Hansford D., Aizen R., Pan Z., Galster S., Ma J., Yuan F., Si M., Qu S., Zhang M., Gazit E., Li J., Nat. Commun., 20189(1), 3217
36
Bai H., Jin X., Cheng Z., Zhou H., Wang H., Yu J., Zuo J., Chen W., Adv. Compos. Hybrid. Mater.20236(2), 62
37
Sk M. A., Ananthanarayanan A., Huang L., Lim K. H., Chen P., J. Mater. Chem. C 20142(34), 6954—6960
38
Wang L., Li W., Yin L., Liu Y., Guo H., Lai J., Han Y., Li G., Li M., Zhang J., Vajtai R., Ajayan P. M., Wu M., Sci. Adv., 20206(40), eabb6772
39
Li H., He X., Kang Z., Huang H., Liu Y., Liu J., Lian S., Tsang C. H., Yang X., Lee S. T., Angew. Chem. Int. Ed., 201049(26), 4430—4434
40
Liu R., Wu D., Feng X., Mullen K., J. Am. Chem. Soc., 2011133(39), 15221—15223
41
Qu D., Zheng M., Li J., Xie Z., Sun Z., Light⁃Sci. Appl., 20154(12), e364
42
Du J., Wang H., Wang L., Zhu S., Song Y., Yang B., Sun H., J. Mater. Chem. C., 20164(11), 2235—2242
43
Khan S. N., Weight B. M., Gifford B. J., Tretiak S., Bishop A., J. Phys. Chem. Lett., 202213(25), 5801—5807
44
Ding H., Yu S. B., Wei J. S., Xiong H. M., ACS Nano 201610(1), 484—491
45
Miao X., Qu D., Yang D., Nie B., Zhao Y., Fan H., Sun Z., Adv. Mater., 201830(1), 1704740
46
Guo L., Ge J., Liu W., Niu G., Jia Q., Wang H., Wang P., Nanoscale 20168(2), 729—734
47
Bian Z., Gomez E., Gruebele M., Levine B. G., Link S., Mehmood A., Nie S., Chem. Sci., 202516(10), 4195—4212
48
Soni N., Singh S., Sharma S., Batra G., Kaushik K., Rao C., Verma N. C., Mondal B., Yadav A., Nandi C. K., Chem. Sci., 202112(10), 3615—3626
49
Zhu P., Tan K., Chen Q., Xiong J., Gao L., Chem. Mater., 201931(13), 4732—4742
50
Li P., Xue S., Sun L., Zong X., An L., Qu D., Wang X., Sun Z., Light⁃Sci. Appl., 202211(1), 298
51
Zhu S., Zhao X., Song Y., Lu S., Yang B., Nano Today 201611(2), 128—132
52
Song Y., Zhu S., Zhang S., Fu Y., Wang L., Zhao X., Yang B., J. Mater. Chem. C 20153(23), 5976—5984
53
Han X., Xia C., Wu H., Xie Y., Li R., Sui B., Yu Y., Wang B., Yang B., Angew. Chem. Int. Ed., 202564(12), e202422822
54
Li P., Xue S., Sun L., Ma X., Liu W., An L., Liu Y., Qu D., Sun Z., Small 202420(29), e2310563
55
Zhang Y., Ding S., Yu J., Sui L., Song H., Hu Y., Waterhouse G. I. N., Tang Z., Lu S., Matter20247(10), 3518—3536
56
Gao S., Zhang P., Xu L., Lian H., Xu C., Bioresource Technol.2025, 132493
57
Han B., Hu X., Zhang X., Huang X., An M., Chen X., Zhao D., Li J., RSC Adv.202212(19), 11640—11648
58
Zhou Y., Sharma S. K., Peng Z., Leblanc R. M., Polymers 20179(2), 67
59
Li P., Sun Z., Light⁃Sci. Appl., 202211(1), 81
60
He C., Xu P., Zhang X., Long W., Carbon 2022186, 91—127
61
Zhu S., Wang L., Zhou N., Zhao X., Song Y., Maharjan S., Zhang J., Lu L., Wang H., Yang B., Chem. Commun., 201450(89), 13845—13848
62
Tao S., Zhu S., Feng T., Zheng C., Yang B., Angew. Chem. Int. Ed., 202059(25), 9826—9840
63
Vallan L., Urriolabeitia E. P., Ruiperez F., Matxain J. M., Canton⁃Vitoria R., Tagmatarchis N., Benito A. M., Maser W. K., J. Am. Chem. Soc., 2018140(40), 12862—12869
64
Pakhira M., Ghosh R., Rath S. P., Chatterjee D. P., Nandi A. K., Langmuir 201935(16), 5525—5533
65
Radovic L. R., Bockrath B., J. Am. Chem. Soc., 2005127(16), 5917—5927
66
Abraham J. E., Balachandran M., J. Fluoresc., 202232(3), 887—906
67
Ru Y., Lu S.Y., Acta Polym. Sin., 202253(7), 812—827
茹艺, 卢思宇. 高分子学报, 202253(7), 812—827
68
Zhang Q., Wang R., Feng B., Zhong X., Ostrikov K., Nat. Commun.202112(1), 6856
69
Mohammed L. J., Omer K. M., Nanoscale Res. Lett.202015(1), 182
70
Yang Y., Kong W., Li H., Liu J., Yang M., Huang H., Liu Y., Wang Z., Wang Z., Sham T. K., Zhong J., Wang C., Liu Z., Lee S. T., Kang Z., ACS Appl. Mater. Interfaces20157(49), 27324—27330

Funding

the National Key Research and Development Program of China(2023YFB3810800)
the National Natural Science Foundation of China(22272003)

Comments

PDF(3614 KB)

Accesses

Citation

Detail

Sections
Recommended

/