DOI: https://doi.org/10.1007/s44397-026-00041-5
تاريخ النشر: 2026-02-10
المؤلف: Surendra Hangsarumba وآخرون
الموضوع الرئيسي: تطبيقات النقاط الكربونية والكمية
نظرة عامة
تقدم البحث تخليقًا ناجحًا لنقاط الكم الكربونية المخدرة بالنيتروجين (N-CQDs) باستخدام طريقة كيميائية بسيطة تتضمن حمض الستريك واليوريا. أكدت التحليلات الشاملة، بما في ذلك مطيافية الأشعة تحت الحمراء بتحويل فورييه (FTIR) وحيود الأشعة السينية (XRD)، وجود مجموعات وظيفية على السطح، وتخدير النيتروجين، وهيكل كربوني غير منظم. تعزز هذه الخصائص كفاءة نقل الشحنة والنشاط البصري، وهما أمران حاسمان لتطبيقاتها في تقنيات متنوعة.
تم فحص الخصائص البصرية لـ N-CQDs بشكل شامل، مما كشف عن اعتماد قوي على عوامل مثل التركيز، ومدة إشعاع الليزر، ودرجة الحرارة، والجهد المطبق. ومن الملاحظ أن N-CQDs أظهرت ضوءًا مضيئًا قابلًا للتعديل واستجابات بصرية كهربائية مستقرة، مع انبعاث معزز عند درجات حرارة مرتفعة وشدة قابلة للتحكم تحت جهد مباشر منخفض (DC). تم قياس العائد الكمي للفلوريسcence بحوالي 20.5%، مما يشير إلى إمكانية التطبيقات العملية في استشعار الحرارة، والأجهزة البصرية الإلكترونية، واستشعار البيولوجيا الكمومية. تؤكد النتائج على القدرات متعددة الوظائف لـ N-CQDs وتقترح سبلًا لمزيد من التعزيز من خلال هندسة السطح وتحسين أداء الأجهزة.
الطرق
تضمنت المنهجية المستخدمة في هذه الدراسة تحليلًا تجريبيًا للخصائص البصرية لنقاط الكم الكربونية المخدرة بالنيتروجين (N-CQDs). تم جمع طيف الامتصاص المرئي باستخدام مطياف ضوئي مرئي تحت حالتين: بدون إشعاع ليزر ومع أوقات تعرض وتركيزات متغيرة. بالإضافة إلى ذلك، تم قياس المقاومة الكهربائية لطبقة N-CQD في النموذج الأولي المُصنع عن طريق توصيلها بمقياس متعدد رقمي، كما هو موضح في الشكل 3(c).
لتقييم أداء الاستشعار لنموذج N-CQD، تم دمجه في دائرة بجهد تشغيل قدره 2.0 فولت، باستخدام LED ومصدر طاقة DC. سهل هذا الإعداد قياس تدفق التيار وتغيرات شدة الضوء، وهي أمور حاسمة لتقييم إمكانية أجهزة الاستشعار المعتمدة على N-CQD لاكتشاف النترات. تم مراقبة درجة حرارة النموذج الأولي باستخدام مقياس حرارة رقمي لضمان ظروف حرارية مستقرة أثناء التجارب، كما هو موضح في الشكل 3(d).
النتائج
يقدم قسم النتائج تحليلًا شاملاً للخصائص البصرية والاستشعار لنقاط الكم الكربونية المخدرة بالنيتروجين (N-CQDs) كما تم تحديدها بواسطة مطيافية الأشعة تحت الحمراء (FTIR) وحيود الأشعة السينية (XRD). تكشف أطياف FTIR عن نطاقات امتصاص كبيرة تتوافق مع مجموعات وظيفية مختلفة، مثل -P-O، -S-O، وامتداد -CH العطري، مما يعزز قدرات نقل الشحنة أثناء تطبيقات الاستشعار. ومن الملاحظ أن القمم عند 1177.18 سم⁻¹ و1721.05 سم⁻¹ تشير إلى وجود روابط فوسفات عضوية وأنظمة π مترافقة، مما يسهل انتشار الإلكترونات. تشير تحليل XRD إلى هيكل كربوني غير منظم، معزز بإدخال النيتروجين، مما يساهم في طبيعة N-CQDs شبه الموصلة.
تظهر التحقيقات الإضافية في الخصائص البصرية أن النفاذية تتغير عكسيًا مع تركيز N-CQD ومدة تعرض الليزر، مما يشير إلى علاقة بين كثافة الجسيمات وامتصاص/تشتت الضوء. تزداد شدة الفلورية (PL) لـ N-CQDs مع درجة الحرارة، حيث تصل إلى ذروتها عند 60 درجة مئوية، مما يشير إلى كفاءة مضيئة معززة بسبب تنشيط حراري للحالات السطحية. تكشف قياسات PL المعتمدة على الجهد أن شدة الانبعاث والتحولات الطيفية تتأثر بالجهد DC المطبق، مما يشير إلى تطبيقات محتملة في الأجهزة البصرية الكهربائية وتقنيات استشعار البيولوجيا. تظهر N-CQDs استجابة فلورية قابلة للتعديل، مما يجعلها مناسبة للكشف الحساس عن التفاعلات البيولوجية والتغيرات البيئية، بينما تبرز استجابتها الحرارية والكهربائية وعدها لتطبيقات استشعار متقدمة. يعكس العائد الكمي المحسوب بحوالي 20.5% كفاءة فلورية معتدلة، متسقة مع الأدبيات الحالية حول نقاط الكم الكربونية.
المناقشة
في هذه الدراسة، تم تخليق نقاط الكم الكربونية المخدرة بالنيتروجين (N-CQDs) باستخدام طريقة كيميائية بسيطة تتضمن حمض الستريك واليوريا. عزز تخدير اليوريا الخصائص الفلورية لنقاط N-CQDs الناتجة، مما سمح لها بالعمل كموصل شبه من النوع p. تضمنت عملية التخليق تسخين المزيج في فرن ميكروويف، تلاها تخفيف وترشيح للحصول على محلول N-CQD. تم تحديد الخصائص الهيكلية والبصرية لـ N-CQDs باستخدام مطيافية UV-Vis وتقنيات تحليلية أخرى، مما أكد إدخال النيتروجين ووجود مجموعات وظيفية تسهل نقل الشحنة.
تم حساب العائد الكمي لمحلول N-CQD ليكون حوالي 20.5%، مما يشير إلى فلورية معتدلة، وهو ما يتماشى مع N-CQDs غير المحمية. أظهرت الخصائص البصرية اعتمادًا قويًا على عوامل مختلفة، بما في ذلك التركيز ودرجة الحرارة، مما يظهر سلوك انبعاث قابل للتعديل. أظهرت N-CQDs تحسينًا في الفلورية عند درجات حرارة مرتفعة واستجابات بصرية كهربائية مستقرة تحت جهد DC منخفض، مما يجعلها مناسبة لتطبيقات استشعار الحرارة والأجهزة البصرية الإلكترونية. بشكل عام، تسلط النتائج الضوء على الإمكانيات متعددة الوظائف لـ N-CQDs لمنصات الاستشعار المتقدمة وتوفر أساسًا لتعزيزات مستقبلية من خلال هندسة السطح وتحسين الأجهزة.
القيود
تقدم الدراسة حول نقاط الكم الكربونية المخدرة بالنيتروجين (N-CQDs) المخلقة كيميائيًا من حمض الستريك واليوريا عدة قيود قد تؤثر على إمكانية تعميم نتائجها. تم إجراء القياسات تحت ظروف جوية طبيعية مع تشتت N-CQDs فقط في الماء المقطر، متجاهلة التأثيرات المحتملة لمذيبات متغيرة، مستويات pH، أو بيئات خاملة محكومة على استقرار الفلورية وسلوك نقل الشحنة. تم تقييم شدة الضوء باستخدام مطياف Theremino مُصنع ذاتيًا، والذي، على الرغم من كونه مناسبًا للتحليل المقارن، قد يقدم عدم يقين في الأدوات مقارنةً بالمطيافات التجارية عالية الدقة.
علاوة على ذلك، كان الجهد المباشر المطبق (DC) محدودًا إلى نطاق ضيق من 1-5 فولت (مع خطأ قدره ± 0.001 فولت)، مما يقيّد تقييم تأثيرات الكهرباء عالية المجال، والإجهاد الكهربائي طويل الأمد، وسلوك الانهيار. كما قيدت الدراسة إشعاع الليزر إلى حد أقصى قدره 30 ثانية وتقييمات درجة الحرارة إلى أقل من 60 درجة مئوية، مما أعاق التحقيق في التحلل الضوئي الحراري، والاستقرار الحراري طويل الأمد، وحدود التشغيل عند درجات حرارة عالية. بالإضافة إلى ذلك، أدى غياب التمرير السطحي أو التخدير المشترك للذرات غير النيتروجينية إلى الحد من العائد الكمي القابل للتحقيق (~20.5%) بسبب مسارات إعادة التركيب غير الإشعاعية المتبقية. تسلط هذه القيود الضوء على ضرورة إجراء مزيد من الأبحاث التي تشمل بيئات محكومة، وأدوات متقدمة، وتقنيات تخليق N-CQD محسنة لفهم أدائها بشكل أفضل تحت ظروف قاسية ولتطبيقات تجارية محتملة.
DOI: https://doi.org/10.1007/s44397-026-00041-5
Publication Date: 2026-02-10
Author(s): Surendra Hangsarumba et al.
Primary Topic: Carbon and Quantum Dots Applications
Overview
The research presents the successful synthesis of nitrogen-doped carbon quantum dots (N-CQDs) using a straightforward chemical method involving citric acid and urea. Comprehensive analyses, including Fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR) and X-ray diffraction (XRD), confirmed the presence of surface functional groups, nitrogen doping, and a disordered carbon structure. These characteristics enhance charge transfer efficiency and optical activity, which are critical for their application in various technologies.
The optical properties of the N-CQDs were thoroughly examined, revealing a strong dependence on factors such as concentration, laser irradiation time, temperature, and applied voltage. Notably, the N-CQDs demonstrated tunable photoluminescence and stable electro-optical responses, with enhanced emission at elevated temperatures and controllable intensity under low direct current (DC) bias. The fluorescence quantum yield was measured at approximately 20.5%, indicating the potential for practical applications in temperature sensing, optoelectronic devices, and quantum biosensing. The findings underscore the multifunctional capabilities of N-CQDs and suggest avenues for further enhancement through surface engineering and optimization of device performance.
Methods
The methodology employed in this study involved an experimental analysis of the optical characteristics of nitrogen-doped carbon quantum dots (N-CQDs). Visible absorption spectra were collected using a visible spectrophotometer under two conditions: without laser irradiation and with varying exposure times and concentrations. Additionally, the electric resistance of the N-CQD layer in the fabricated prototype was measured by connecting it to a digital multimeter, as illustrated in Fig. 3(c).
To assess the sensing performance of the N-CQD prototype, it was integrated into a circuit with an operating voltage of 2.0 V, utilizing an LED and DC power supply. This setup facilitated the measurement of current flow and light intensity variations, which are critical for evaluating the potential of N-CQD-based sensors for nitrate detection. The operational temperature of the prototype was monitored with a digital thermometer to ensure stable thermal conditions during the experiments, as indicated in Fig. 3(d).
Results
The results section presents a comprehensive analysis of the optical and sensing properties of nitrogen-doped carbon quantum dots (N-CQDs) as characterized by Fourier-transform infrared (FTIR) spectroscopy and X-ray diffraction (XRD). The FTIR spectra reveal significant absorption bands corresponding to various functional groups, such as -P-O, -S-O, and aromatic -CH stretching, which enhance the charge transfer capabilities during sensing applications. Notably, peaks at 1177.18 cm⁻¹ and 1721.05 cm⁻¹ indicate the presence of organic phosphate linkages and conjugated π-systems, respectively, facilitating electron delocalization. The XRD analysis suggests a disordered carbon structure, enhanced by nitrogen incorporation, which contributes to the semiconducting nature of the N-CQDs.
Further investigations into the optical properties demonstrate that transmittance varies inversely with N-CQD concentration and laser exposure time, indicating a relationship between particle density and light absorption/scattering. The photoluminescence (PL) intensity of N-CQDs increases with temperature, peaking at 60 °C, suggesting enhanced luminescence efficiency due to thermal activation of surface states. Voltage-dependent PL measurements reveal that emission intensity and spectral shifts are modulated by applied DC voltage, indicating potential applications in electro-optical devices and biosensing technologies. The N-CQDs exhibit a tunable photoluminescence response, making them suitable for sensitive detection of biomolecular interactions and environmental changes, while their thermal and electrical responses highlight their promise for advanced sensing applications. The calculated quantum yield of approximately 20.5% reflects moderate fluorescence efficiency, consistent with existing literature on carbon quantum dots.
Discussion
In this study, nitrogen-doped carbon quantum dots (N-CQDs) were synthesized using a straightforward chemical method involving citric acid and urea. The doping of urea enhanced the photoluminescent properties of the resulting N-CQDs, allowing them to function as a p-type semiconductor. The synthesis process involved heating the mixture in a microwave oven, followed by dilution and filtration to obtain the N-CQD solution. The structural and optical properties of the N-CQDs were characterized using UV-Vis spectroscopy and other analytical techniques, confirming the incorporation of nitrogen and the presence of functional groups that facilitate charge transfer.
The quantum yield of the N-CQD solution was calculated to be approximately 20.5%, indicating moderate fluorescence, which is consistent with unpassivated N-CQDs. The optical properties demonstrated a strong dependence on various factors, including concentration and temperature, showcasing tunable emission behavior. The N-CQDs exhibited improved photoluminescence at elevated temperatures and stable electro-optical responses under low DC bias, making them suitable for applications in temperature sensing and optoelectronic devices. Overall, the findings highlight the multifunctional potential of N-CQDs for advanced sensing platforms and provide a basis for future enhancements through surface engineering and device optimization.
Limitations
The study on chemically synthesized nitrogen-doped carbon quantum dots (N-CQDs) derived from citric acid and urea presents several limitations that may impact the generalizability of its findings. Measurements were conducted under normal atmospheric conditions with N-CQDs dispersed solely in distilled water, neglecting the potential effects of varying solvents, pH levels, or controlled inert environments on photoluminescence stability and charge transport behavior. The optical intensity was assessed using a self-fabricated Theremino spectrometer, which, while suitable for comparative analysis, may introduce instrumental uncertainties compared to high-resolution commercial spectrometers.
Moreover, the applied direct current (DC) bias was limited to a narrow range of 1-5 V (with an error of ± 0.001 V), restricting the evaluation of high-field electrical effects, long-term electrical stress, and breakdown behavior. The study also constrained laser irradiation to a maximum of 30 seconds and temperature assessments to below 60 °C, which hindered the investigation of photothermal degradation, long-term thermal stability, and high-temperature operational limits. Additionally, the absence of surface passivation or heteroatom co-doping beyond nitrogen limited the achievable quantum yield (~20.5%) due to residual non-radiative recombination pathways. These limitations highlight the necessity for further research involving controlled environments, advanced instrumentation, and enhanced N-CQD synthesis techniques to better understand their performance under extreme conditions and for potential commercial applications.