Hiện nay, nhiều loại vật liệu nano trên cơ sở cacbon đã được tổng hợp bao gồm ống nano cacbon (carbon nanotube), graphen oxit, nano kim cương, chấm lượng tử graphen, chấm polyme và cacbon nanodot (CND). CND là vật liệu cacbon phát huỳnh quang được phát hiện gần đây (năm 2004) [36], kích thước nhỏ hơn 10 nm (thường là 2-5 nm).
Các phương pháp tổng hợp CND có thể chia thành hai loại: tiếp cận từ trên xuống hoặc từ dưới lên. Tiếp cận từ trên xuống có ưu thế là CND tổng hợp được có cấu trúc rõ ràng. Các phương pháp tổng hợp dưới lên tuy khó kiểm soát hơn, nhiều sản phẩm phụ có thể hình thành cùng với CND nhưng có ưu điểm là đơn giản. Tổng hợp từ dưới lên tạo ra CND với hiệu suất phát xạ cao nhất cho tới nay và dễ dàng tạo ra nhiều loại CND khác nhau, ví dụ bằng cách pha tạp các nguyên tố khác [37].
Phân huỷ bằng vi sóng là phương pháp chế tạo CND từ dưới lên được sử dụng trong nhiều tài liệu [38-44]. Phương pháp này dựa trên quá trình cacbon hoá một phần các tiền chất. Ưu điểm của phương pháp là giá thành tổng hợp rất thấp, thời gian tổng hợp ngắn (vài phút) và không cần thụ động hoá bề mặt hạt sau khi tổng hợp. Ngoài ra, phương pháp này cũng dễ dàng đưa các tác nhân pha tạp như các nguyên tử bo, nitơ, photpho, lưu huỳnh vào thành phần cấu trúc của CND, làm tăng hiệu suất lượng tử huỳnh quang.
Do cấu tạo bởi cacbon nên CND có tính tương thích sinh học cao, có khả năng ứng dụng trong hiện ảnh y sinh và làm chất mang thuốc. CND cũng được nghiên cứu ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác như sử dụng làm nanosensor nhận biết các ion kim loại, ứng dụng trong quang xúc tác, các thiết bị quang điện [37].
Cấu trúc của CND phụ thuộc vào phương pháp tổng hợp và phương pháp pha tạp các nguyên tố khác, nên có thể xem như CND gồm một số loại cấu trúc khác nhau. Một số tác giả chia CND thành hai loại với cấu trúc khác nhau [45]:
- Cấu trúc tinh thể trên cơ sở cacbon sp2 và spCấu trúc vô định hình chủ yếu là cacbon sp3
3.
Tuy nhiên, hiện không có sự phân loại thống nhất cho CND trong các tài liệu và cơ chế phát quang tương ứng của CND vẫn chưa rõ ràng. Thường quan sát thấy sự phát quang phụ thuộc kích thích của CND, tức là vị trí đỉnh phát xạ thay đổi tùy thuộc vào bước sóng kích thích, đỉnh phát xạ rộng có thể do có nhiều loại tâm phát quang, cấu trúc hóa học không đồng nhất [46].
Hiệu suất lượng tử của CND tương đối thấp, phụ thuộc vào phương pháp tổng hợp và hóa học bề mặt. Trong thời gian gần đây, một số nghiên cứu [47] đã phát hiện thấy rằng trong quá trình tổng hợp CND theo tiếp cận từ dưới lên bằng các quá trình thủy nhiệt, các phân tử phát quang thường là các sản phẩm phụ đi kèm với CND. Các tạp chất này đóng góp đáng kể vào tính chất phát quang của sản phẩm. Do đó, đặc trưng sản phẩm là rất quan trọng để loại trừ các kết luận sai sót trong nghiên cứu về CND [47].
Vật liệu nano CND và các phân tử phát quang hoặc kết tụ (aggregate) của các phân tử phát quang thường khó phân biệt bằng các phương pháp đặc trưng thông thường (ví dụ phương pháp TEM), trong khi phương pháp tương quan huỳnh quang (FCS) có thể ứng dụng hiệu quả để khảo sát sản phẩm phản ứng chứa CND [48, 49]. Dựa trên sự khác nhau về kích thước thuỷ động lực học, có thể phân biệt CND với các phân tử nhỏ phát quang trong dung dịch.