碳量子点及其复合薄膜的制备与荧光性质研究

发布时间：2018-03-01 12:43

本文关键词： 碳量子点复合薄膜光致发光量子限制效应 Trions　出处：《南京大学》2015年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：碳材料在自然界储量丰富,虽然宏观碳材料不是合适的荧光材料,但随着科技的发展与进步,各种荧光碳纳米材料应运而生,而且由于碳材料的低毒性而越来越受到研究者的重视。尤其是近几年出现的荧光碳量子点,它不仅有着其他碳材料的普遍优势,而且具有制备更为简单、生物兼容性好、发光更稳定和发光波长可调谐等优点,所以在生物荧光标记、生物传感、化学传感、光电子器件和光催化等方面都体现出了重要的应用价值,预期将给发光材料、光电器件、生物医学等领域带来新的发展空间。虽然碳量子点有极好的应用前景,但目前还有较多急需解决的问题,如,碳量子点的荧光起源及其可控性、碳量子点内部多粒子问题以及如何制备具有高效可控荧光的固态碳量子点等,正是这些问题限制了其在光电器件等方面的有效应用。针对这些亟待解决的问题,本论文在充分调研的基础上,拟重点探讨碳量子点的荧光起源,据此解决固态碳量子点凝聚诱导的荧光淬灭问题,实现固态下碳量子点的高效可调谐荧光。具体研究内容及结果如下：1、采用自上而下的方法——硝酸回流木质活性炭制备了存在明显的激发波长不依赖的蓝色荧光和激发波长依赖的长波荧光的碳量子点,而且,长波荧光的最大强度与蓝色荧光的最大强度比随着硝酸浓度的增大而增大。谱学分析结合形貌表征认为,碳量子点的长波长荧光起源于量子限制效应。不同浓度硝酸制备的碳量子点的表面结构采用傅里叶变换红外光谱(FTIR)和X射线光电子能谱(XPS)进行了表征,实验发现,随这硝酸浓度的改变,所制备的碳量子点表面含氧量及表面结构变化不大；另外,电子顺磁共振(EPR)表征发现,随硝酸浓度的增大EPR信号逐渐减小,表明碳量子点中不规则碳环或碳缺陷含量减少,而这与蓝色荧光强度的变化一致。根据之前我们对碳材料荧光的研究,我们认为碳量子点的蓝色荧光起源于碳拓扑结构中的碳空位或不规则碳环。同时,结合活性炭的微观结构,我们给出了硝酸回流活性炭制备碳量子点的形成机制。2、通过向碳量子点水溶液中滴加盐酸实现了对碳量子点的载流子掺杂,并系统研究了pH值对碳量子点蓝光发射和长波发射两部分荧光的影响。实验表明蓝光发射部分随pH值的增大逐渐展宽并出现多峰结构,而长波发射部分随pH值的增大其峰位及峰型均不变。根据第二章中我们提出的碳量子点的蓝色荧光起源于碳的拓扑缺陷,而实验和理论报道表明,在低维材料中缺陷和无序结构更易束缚激子和掺杂的载流子。通过详细的表征和分析,我们提出了缺陷束缚的trion模型解释了蓝光发射随pH值增大出现的肩峰,并通过理论证实了肩峰的出现是碳量子点内缺陷束缚的激子荧光和缺陷束缚的trions荧光竞争的结果。我们在实验和理论上首次提出并证实了碳量子点的trions光发射。3、通过自下而上的方法——有机物碳化法制备了表面季氨功能化的碳量子点,并用羟基终端的聚乙二醇(PEG-OH)进一步钝化了该碳量子点,制备了聚乙二醇/碳量子点复合薄膜,该固态薄膜展现了从蓝色至红色可调谐的发光特征,呈现了如液态时优异的荧光性能,并且荧光量子产率高达12.6%,与许多液态碳量子点的荧光量子产率可以比拟。实验结果还表明,季氨功能化的碳量子点薄膜的PL谱展现了较弱且不可调谐的碳拓扑缺陷的蓝色荧光和氧相关的表面态发光,说明季氨功能化碳量子点表面的氨基链不能有效钝化碳量子点,只有采用PEG-OH进一步有效钝化后,碳量子点薄膜才能呈现出随激发波长可调谐的发光特性。根据量子限制效应模型分析,碳量子点的最可几半径与其带隙有很好的对应关系。
[Abstract]:......
【学位授予单位】：南京大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：O613.71;TB383.2

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