关键词： 纳米复合材料   双荧光   一氧化氮   铜离子  

摘要： 一氧化氮(NO),生物体内重要的神经递质分子,生物活性强且广泛存在于人体器官组织中。铜是自然界中广泛存在的金属元素,在生产生活中具有广泛应用。基于NO和Cu2+在生物体内的重要作用,其浓度含量与生命活动密切相关,参与人体各种生理调节、病理调控。准确测定NO和Cu2+含量具有重要的研究意义。荧光方法在物质检测分析中应用广泛,荧光检测理论的成熟,使荧光检测手段更具有优势。新型荧光材料的诞生为建立更有效的检测提供了新思路。基于研究背景及热点的总结梳理,本论文基于半导体量子点合成两种具有双荧光性质的纳米复合材料通过比率荧光法来定量检测NO和Cu2+。文章内容主要从以下三个方面进行阐述:第一章:绪论在本章中主要介绍了五个方面的内容,首先对荧光材料进行简单系统的介绍,从材料属性分为:有机荧光材料和无机荧光材料;其次简单介绍了纳米复合材料;然后对一氧化氮和铜离子的研究背景做了简单梳理,包括:来源、作用及影响、主要检测手段及检测材料等;最后对本文的立题依据和主要内容进行简要阐述。第二章:基于碲化镉量子点双荧光纳米复合材料检测一氧化氮生物体内的NO是一种重要信号分子,参与人体内诸多的生理调节过程,NO含量多少与正常生理机能有着密切关系,因此精确测定生物体或组织中的含量仍是NO检测的研究热点。基于此,探究合成了一种具有优良性质的纳米复合材料,具有易测的荧光信号,也具有良好的生物兼容性。先利用水热法合成-COOH修饰的碲化镉量子点(CdTeQD),将带有-NH2的5-氨基荧光素(5-FL)修饰在量子点表面,形成一个具有双荧光的纳米复合核,通过外延法在核表面生长ZIF-8,这是首次合成具有双荧光性质的核-壳纳米复合材料用于NO荧光定量检测。研究发现,硼氢化钠将5-FL还原后,还原态的5-FL在无氧条件下可直接被NO氧化使其荧光恢复,CdTeQD在无氧条件下不与NO发生作用,其荧光信号不产生变化,故该纳米复合材料可以对NO进行荧光检测,随着NO含量的增加,荧光恢复增强。采用此纳米复合材料实现了对NO的高灵敏检测。NO的荧光响应范围为10-6-10-4 mol/L,检出限为2×l(T7mol/L,同时该复合材料对目标物具有较好的选择专一性,最后采用细胞提取液对该复合材料进行可行性实验验证,实验结果表明该纳米复合材料可适用于细胞环境下NO的检测。第三章:基于碲化镉-碳点双荧光纳米复合材料检测水相中铜离子基于铜离子对生理及环境等方面的影响。采用一种合成简单、检测灵敏、准确度高的荧光材料来定量测定水中或生物体内的铜离子含量仍是一项实用价值的研究热点。本章合成了一种稳定的双荧光纳米复合材料用于Cu2+检测。首先在水热条件下合成602 nm处具有橙色荧光的CdTe QD和420 nm处发射蓝色荧光的硅元素掺杂的碳点(SiC-QDs),将两种荧光纳米材料混合均匀,在365 nm激发下两者呈现各自的发射光谱,且互不影响。Cu2+直接与CdTeQD表面的巯基(-SH)结合取代Cd元素,加剧CdTe QDs表面缺陷使其荧光猝灭,SiC-QDs不与Cu2+发生作用,荧光强度保持不变。基于此双荧光纳米复合材料中CdTe QD的荧光强度变化完成了对Cu2+的快速检测。Cu2+的荧光响应范围为2×10-7-10×10-7 mol/L,检出限为2.5×10-8mol/L,此荧光复合材料的选择性实验证明了该材料对Cu2+具有很高的选择性,其它阳离子如:K+、Na+、Cd2+、Ca2+、Mg2＋等均不干扰Cu2+的测定,成功的对自来水样、湖水样品、尿样等实际样品中Cu2+的含量进行了定量测定,最后成功的应用于纸传感肉眼可视化判别Cu2+含量。

关键词： 光电信息功能材料   量子物理   优势  

摘要： 随着全球经济的不断增长,网络通信技术得到了突飞猛进般的发展,但社会经济发展的同时也促使人们对信息技术的要求越来越高,如此则需要相关通信管理单位研发出更高要求的通信技术.针对这一情况,电信光纤技术的出现无疑是电信通信技术得到发展的一大助力.那么,本文便以光电通信功能材料为分析对象,初步了解了光电通信技术的优势,如本文所示.

关键词： 碳纳米管   复合材料   三阶非线性   硫化铅量子点浓度   硒化镉量子点  

摘要： 非线性光学是非线性物理学的一个分支,主要研究激光与物质相互作用时产生的非线性现象及其应用。随着人们对非线性光学材料的不断研究,发现了许多非线性光学的优点以及重要应用意义,使其在全光开关、光限制器、光频率转换、光脉冲压缩、超精细物质结构分析等方面发挥着重要作用。因此,近年来非线性光学材料越来越成为研究者探索的方向,其中包括半导体量子点、碳纳米管及其他们的各种复合材料。独特的一维管状结构以及特殊优异的物理化学性质使得碳纳米管在物理学、生物学、化学以及材料科学等许多领域扮演着极其重要的作用。碳纳米管的主要杂化方式是碳原子的sp2轨道杂化,因此碳纳米管具有较强的非线性响应以及较快的响应速度,这为碳纳米管的三阶非线性研究奠定了良好的基础,越来越多的学者致力于研究其三阶非线性的特点。半导体量子点具有十分优异的光学性质,尤其是三阶非线性光学性质的研究越来越受到学者的青睐。其中对IV-VI族和II-VI族半导体量子点的研究最为广泛,这类半导体具有独特的三阶非线性特性,较强的非线性响应,因此在光通信以及光存储等众多领域发挥着极其重要的作用。而碳纳米管与量子点的复合材料也表现出优异的非线性性质并且可以改善单独碳纳米管的局限性,因此碳纳米管与量子点复合材料的三阶非线性也是十分值得研究的课题。本文的组成结构包括以下几个方面:首先对非线性光学和Z-扫描理论进行简单描述,并对半导体量子点和碳纳米管的研究概况进行分析;其次介绍了PbS量子点的制备方法以及三阶非线性性质,重点介绍了碳纳米管的纯化以及不同浓度的PbS量子点与碳纳米管的复合材料,并分析了量子点浓度对三阶非线性性质的影响;然后研究了硒化镉量子点与碳纳米管的复合材料并探究了其三阶非线性性质;最后一部分是对全文的总结与展望。本论文的主要研究工作:第一,PbS作为一种直接带隙半导体材料,具有较小的禁带宽度（0.41 ev）,较大的激子半径（18 nm）,这使其具有相对较强的电子-空穴对限域效应、相对较大的非线性响应。本文通过简单的超声化学法合成了PbS量子点,所制备的量子点为面心立方结构,尺寸在20 nm左右并且大小均一。根据Z-扫描测试可以看出PbS量子点具有双光子吸收、自散焦的性质。第二,对碳纳米管进行了表面改性处理,接枝EDTA基团,并在大气环境下利用水浴超声法通过控制铅源和硫源的含量合成了不同浓度的PbS量子点与碳纳米管的复合材料。测试结果表明随着Pb源和S源的增加,碳纳米管表面的PbS量子点的数量逐渐增多、密度逐渐变大、厚度逐渐增加,复合材料的直径也会逐渐增大。其三阶非线性测试结果表明复合材料具有饱和吸收、自聚焦的性质,随着PbS浓度的增加复合材料的三阶非线性极化率呈现出先增大后减小的变化趋势,当PbS的浓度为1.25×10-2mol/L时,得到最大三阶非线性极化率χ（3）=3.81×10-1212 esu。第三,大气环境下采用一种安全、低成本的“绿色”合成工艺制备了硒化镉量子点与碳纳米管的复合材料,表征结果显示硒化镉量子点具有立方闪锌矿结构,并且具有良好的结晶性。复合材料的ID/IG值相对于碳纳米管明显增加,并且复合材料相对于单纯的碳管增加了一个由硒化镉量子点引起的吸收峰。对复合材料进行三阶非线性测试,得出CdSe/MWCNTs复合材料具有饱和吸收、自聚焦的性质。第四,对论文的主要内容进行总结,并对日后可进行的工作进行展望。

关键词： 类GaSb/GaAs量子点材料   LPE   光致发光谱   量子点红外探测器  

摘要： 众所周知,具有零维电子态密度和各种量子效应等特点的量子点材料有许多优秀的性能,因此成为半导体纳米材料领域中最具有应用潜力的材料之一。在近十几年,Ga Sb/Ga As量子点材料引起了众多研究者的兴趣。这是因为Ga Sb/Ga As量子点材料具有Ⅰ类类能带结构,即量子点只束缚空穴,电子则通过库仑引力被弱局域在量子点周围的Ga As材料中。相对于Ⅰ类In As/Ga As量子点材料中量子点同时束缚电子和空穴,电子与空穴空间分离的Ⅱ类Ga Sb/Ga As量子点材料具有更长的载流子寿命,更高的激活能和更长的电荷储存时间等特点。因此Ga Sb/Ga As量子点材料虽然不能很好地应用于发光器件,但在太阳能电池、探测器、高效半导体激光器、电荷储存器等器件的应用中更具潜力。到目前为止,Ga Sb/Ga As量子点材料的主要生长方式为分子束外延(MBE)和金属有机化学气相沉积(MOCVD)。与MBE和MOCVD相比,液相外延(LPE)技术是一种简单且更具经济效益的生长技术。此外,由于在近热力学平衡条件下进行材料生长,LPE生长的外延薄膜具有晶体质量高和杂质含量低的特点。本工作的成果是通过改进LPE生长工艺提高了Ga Sb/Ga As量子点材料各部分的质量,并将Ga Sb量子点密度提高了一个数量级,且生长的量子点材料获得了很好地室温PL谱荧光,最终根据Ⅱ型能带结构特点设计并制备了n-p-i-p结构的量子点红外探测器。本论文涉及的主要研究内容如下:1)设备的改进和新型石墨舟的设计。为了提高设备的稳定性和可靠性,我们梳理了设备的线路,简化了操作的流程;为了提高外延薄膜的质量,我们设计双衬底槽石墨舟,增加牺牲片以去除积聚在熔源材料表面的杂质。2)Ga Sb/Ga As量子点材料的LPE生长工艺的优化。为了使衬底的腐蚀表面更平滑,我们优化了衬底腐蚀液的组成和配比。通过熔源回融衬底获得稳定的饱和熔源材料,成功地抑制了缓冲层在生长过程中波浪纹的出现,提高了缓冲层的质量。为了抑制量子点的溶解效应和量子环的形成,盖帽层的生长温度需要低于量子点的生长温度。除此之外,通过减少生长时间,成功地获得了高质量超薄外延薄膜。为了加强抑制量子点的溶解效应和量子环的形成的效果,我们生长Ga As1-xSbx三元薄膜做为盖帽层,然而并没达到预期效果。最终我们通过增加纯金属Sb以抑制高温烘烤时Ga Sb熔源中Sb组份的挥发成功地抑制量子点的溶解效应和量子环的形成,将量子点密度从109 cm-2提高到1010 cm-2,达到了MBE生长量子点的密度的同一数量级。3)Ga Sb/Ga As量子点材料的光学性能的研究。本章通过详细分析Ga Sb/Ga As量子点材料的变功率PL谱和变温PL谱以探究Ga Sb/Ga As量子点材料的光学性能。我们通过变功率PL谱中量子点峰位随激光功率增加而蓝移的现象证明我们生长的Ga Sb/Ga As量子点材料是Ⅱ类能带结构,详细分析了导致量子点峰位蓝移的三个原因:能带填充效应,能带弯曲效应和库仑势效应,并估算出了量子点对空穴的局域能为440 me V。变温PL谱展现了量子点发光的稳定性。另外,我们分析了浸润层发光随温度升高而湮灭的现象,并通过对谱峰积分强度的Arrhenius拟合估算出量子点和浸润层的激活能分别为111 me V和13 me V。除此之外对于低温PL谱中出现的声子伴线现象做了详细分析。4)量子点红外探测器的研制与性能的研究。我们设计并生长了n-p-i-p结构的量子点红外探测器以充分利用Ⅱ类Ga Sb/Ga As量子点材料的能带结构特点——量子点只束缚空穴而不束缚电子。我们测试了量子点红外探测器在红外灯照射下和不同温度(500–1000 K)黑体照射下的光电流响应,计算了量子点红外探测器的响应率并在500 K黑体照射下得到了最高的响应率R=8.5×10-3A/W。

关键词： Materials science  

摘要： Materials with nanoscale dimensions often display unique optical, electronic and chemical properties that depend on their size, structure and composition. For instance, semiconductor nanocrystals, or quantum dots (QDs), exhibit quantum confinement effects which can lead to tunable electronic and optical properties. Similarly, nanoscopic metal structures ranging from nanoparticles to sub-nm clusters and even individual atoms can display excellent catalytic properties when dispersed on a suitable support, due to their high surface area-to-volume ratio and modified electronic properties. In order to develop meaningful structure-property correlations and optimize the performance of such nanomaterials, their structural and compositional features need to be carefully characterized by state-of-the-art aberration corrected analytical electron microscopy (AC-AEM). The first half of this dissertation concerns the study of semiconductor QDs prepared via a novel aqueous-phase biomineralization route that offers lower environmental impact and decreased economic costs compared to more traditional chemical synthesis routes. In particular, we show how the optical properties of these biosynthesized QDs have been understood and improved by a process of ‘microscopy informed nanomaterial design’. Firstly, cadmium sulfide QDs biosynthesized using an engineered bacterial strain of Stenotrophomonas maltophilia have been structurally and chemically analyzed by aberration corrected STEM. This has allowed us to establish a direct correlation between mean nanocrystal size and the particle growth time, which in turn affords us good control and tunability over the band gap energy and absorption/fluorescence behavior of the resultant QDs. Next, a single enzyme produced by the bacterium, namely cystathionine γ-lyase (smCSE), is shown to be responsible for both inducing CdS mineralization and templating nanocrystal growth. The production of size- and structure-controlled CdSe and CdSe-CdS core-she

摘要： The potential of environmentally friendly solar energy is enormous, but the fabrication of solar cells that are efficient and competitive to other sources of energy remains a serious challenge. The quantum dot sensitized solar cells (QDSSC) is an encouraging cost-effective option to study as it has the potential to overcome the maximum theoretical limit of traditional solar cells. The key components in QDSSCs is the quantum dot/photoanode heterostructure. So, the study of optical properties of quantum dots and photoanode materials, and the charge transfer at the interface is necessary to understand and improve the efficiency and durability of these solar cells. Zinc Tin Oxide (ZTO) has potential for use as a photoanode in QDSSCs. So, the optical properties of ZTO nanowires was studied by using diffuse reflectance, Photoluminescence(PL), and Time Resolved PL (TRPL) measurements. The ZTO nanowires have a direct forbidden transition and thus do not have band to band PL. The two distinct PL peaks observed are centered at 1.86eV (red) and 2.81eV (blue), representing two distinct defect state transitions. The time resolved PL measurements show complex non-exponential decays at all wavelengths, indicative of defect to defect transitions, with the red emissive states decaying much slower than the blue emissive states. We propose an energy band model for the nanowires and the associated transitions between the defect states that are consistent with our measurements. One of the goal of this dissertation is to study the effect of Mn doping on ZTO and the electron transfer from CdSe QDs to Mn ZTO nanoparticles. We have successfully synthesized high surface area & single phase ZTO and Mn doped ZTO NPs using hydrothermal synthesis method. The incorporation of Mn into the ZTO has been studied by using XRD, TEM and XPS. We find that the Mn2+ ion most likely substitutes for the Zn2+ ion in the ZTO crystal. The Mn doping not only changes the magnetic properties, but also modifies the

关键词： 热电材料   量子限域   复合材料   二维材料   面内异质结  

摘要： 近年来,由于节能与环保的现实要求,能将废弃热能直接转换为电能的热电材料受到人们的广泛关注。热电转换具有无噪音、无污染、可靠性高等优点,是一种绿色环保的发电技术。如能利用热电材料将汽车尾气和工业废气中的废弃热能转换为电能,则既可以有效提高化石燃料的利用效率,节约能源;又可以减少因为化石燃料不完全燃烧产生的气体危害环境。因此热电转换具有广阔的产业化前景。现阶段热电转换大规模应用的瓶颈在于热电材料的性能不佳,即能量转换效率低下。因此,探索高性能热电材料成为世界范围内研究者们广泛关注的问题。复合材料被认为是获得高性能热电材料的一个可行的途径。提高材料的热电性能的可能途径一是降低晶格热导率,二是增大材料的功率因子。目前,实验上制备纳米相的复合材料晶格热导率已接近Cahill理论所预测的最低值。因此,大幅度增大材料的功率因子是进一步提升其热电性能的较好选择。研究者们在复合材料中采用多种机制提高功率因子,包括量子限域效应,能量过滤效应,渗流效应,两相共存效应等。但对于多种效应的协同作用则少有研究。本论文以原子级二维薄膜的面内异质结为研究对象,探索了量子限域效应与两相共存效应的协同作用。首先,在第三章中,用简单的串并联模型研究了两相共存效应增大复合材料功率因子需满足的条件,即两相的功率因子值需接近,但电导率值需相差较大;并指出功率因子增大的物理机制是两相热导率的不同使复合材料具有不均匀的温度分布,因此可以同时具有高电导和高Seebeck系数。然后,在第四章中,采用密度泛函理论和玻尔兹曼输运方程,研究了Ti S2二维原子薄膜中量子限域效应对热电功率因子的影响,发现单分子层Ti S2的Seebeck系数相比体材料增加约40%,其增大来源于量子限域效应导致的导带底附近能态密度的增大。最后,在第五章中,在前两章工作的基础上,我们将Ti S2/Mo S2二维面内异质结视为一种低维的复合材料,研究了其中两相共存与量子限域效应的协同作用的机制,给出取得最大的功率因子时,两相的比例以及各自的载流子浓度。本文的计算结果表明,在原子级厚度的二维面内异质结中,量子限域效应和两相共存效应可以协同作用,增大二维复合材料的功率因子,并且给出了两相共存和量子效应各自其作用的范围及背后的物理机制。本文的结果对加深二维复合材料物理特性的认识,设计新型二维复合材料具有积极的意义。

关键词： 光电化学传感器   量子点   掺杂碳量子点   上转化荧光   有机磷农药   甲胎蛋白  

摘要： 本论文采用光活性纳米材料与生物识别分子相结合，构建光电化学生物传感器，并成功地实现对目标分子的检测。主要内容如下：　　1.本章首先对光电化学生物传感器的概念作了简要的介绍，并对其构造和工作原理进行了详细的说明，以及对不同类型的光电化学生物传感器进行了举例介绍。最后，对碳量子点的性质、合成和应用作了介绍。　　2.本章构建了一种精细的可见光驱动的自供电光电化学生物传感器来实现对毒死蜱的灵敏检测。在光电化学生物传感器的构建过程中，以氧化铟锡（ITO）玻璃为基底电极，以二氧化钛（TiO2）纳米粒子为光活性基底材料，采用具有良好导电性和光学性能的氮掺杂的碳量子点（NCQDs）作为光敏剂，以及利用乙酰胆碱酯酶（AChE）作为生物识别分子。由于NCQDs良好的导电性、出色的可见光吸收能力和上转化光特性，修饰得到的NCQD/TiO2/ITO电极的光电流信号是TiO2/ITO电极的42倍。修饰在电极表面的AChE能够催化水解氯化乙酰胆碱（ATCl）生成硫代胆碱，在这个光电化学生物传感器检测系统中，硫代胆碱可以作为给电子体来促进光生电子-空穴对的分离，导致光电化学生物传感器的光电流信号得到很大的提高。在存在有机磷农药（organophosphoruspesticides，OPs）（采用毒死蜱（chlorpyrifos）作为有机磷的模型）的情况下，电极表面固定的AChE的生物活性会受到抑制，这样一来会导致生成的硫代胆碱的量减少，从而导致光电化学生物传感器的光电流信号降低。根据chlorpyrifos与光电化学生物传感器的光电流信号之间的关系，所构建的光电化学生物传感器可以实现对chlorpyrifos的灵敏检测，检测范围为0.001μg·mL-1至1.5μg·mL-1，最低检出限为0.07ng·mL-1（信噪比为3）。并且，所构建的光电化学生物传感器能够实现对湖水和大白菜中毒死蜱的检测，表明此光电化学生物传感器对于环境和食品中毒死蜱的检测有着潜在的应用。　　3.本研究提出了一种高灵敏、高选择性检测甲胎蛋白（AFP）的光电化学生物免疫传感器。该光电化学生物免疫传感器以硫化铋纳米棒（Bi2S3）为光活性材料，获得了较好的光电流信号。再利用具有良好导电性和光学性能的氮硫共掺杂的碳量子点（NSCQDs）与Bi2S3相结合，修饰得到的NSCQD/Bi2S3/ITO的光电流是Bi2S3/ITO的1.31倍，因而使得光电流信号得到提升。采用酰胺化反应将AFP抗体（Ab）修饰在NSCQD/Bi2S3/ITO电极表面，由于Ab与AFP之间的特异性免疫结合，使得电极表面的位阻变大，阻碍了电子牺牲剂抗坏血酸（AA）向传感电极表面的转移，使得免疫传感器的光电流下降。根据AFP浓度与构建的免疫传感器光电流信号之间的关系，从而实现对AFP的灵敏选择性检测。检测范围为0.001-500ng·mL-1，最低检测限为0.53pg·mL-1（信噪比为3），并且能够实现对人类血清中AFP的检测。因此，本章设计的低耗高效的光电化学生物免疫传感器在对蛋白质的临床检测和生物学分析具有重要的意义。

关键词： 低维体系   ZnO纳米线   界面Δ掺杂   量子输运   二维层状材料   BP/InSe异质结   偏振光探测   光电特性   (BixSb1-x)2Te3薄片   拓扑绝缘体  

摘要： 低维体系由于载流子波函数在某些维度方向上受限,导致出现小尺寸效应、表面效应、量子隧穿、库伦阻塞等效应,进而会显著影响体系的力学、光学、电学和热学性能。同时,由于低维体系具有较大的比表面积,在构成器件时形成的界面也会对器件性能产生重要影响。因此,对低维体系性质的探索,不仅可以拓宽对未知领域的理解,还对未来器件的设计与优化起到至关重要的作用。本论文中,我们将以一维ZnO纳米线和二维层状材料(黑磷、InSe和BiTe)为例,围绕界面掺杂调控对ZnO纳米线量子输运性能的影响、黑磷/InSe二维异质结构的光电特性以及BiTe二维薄片的生长调控和输运特性等方面开展研究,主要内容如下:在第一章中,我们首先以一维ZnO纳米线和二维层状材料为例,介绍了低维材料的结构、生长方法以及它们的光学、电学和光电性能等方面的研究进展。然后,我们阐述了本论文的研究意义以及内容概要。在第二章中,我们通过二次生长和界面包裹AlO的办法,成功制备了界面Al掺杂和界面本征掺杂的ZnO纳米线。研究发现,界面本征掺杂的ZnO纳米线呈现半导体特性,而界面Al掺杂可以将纳米线从半导体性调控为金属性。在界面本征掺杂和界面Al掺杂样品中都观察到准二维的弱局域化效应。更有趣的是,在界面A1掺杂的ZnO纳米线中,我们还发现了准二维的普适电导涨落现象。这些现象揭示了纳米尺度的闭合导电曲面独特的量子相干输运行为。由于界面Al掺杂的ZnO纳米线中的电子-声子散射被显著抑制,弱局域化效应和普适电导涨落得到的低温下电子的退相干长度L可超过100nm,比界面本征掺杂纳米线的L提高了至少5倍。此外,我们还在界面层闭合曲面直径与退相干长度相当的样品中,观察到显著的AAS振荡效应,进一步证明了纳米线中存在闭合的桶状导电界面层。在第三章中,我们通过机械剥离-堆叠的办法制备了 BP/InSe垂直p-n异质结。在暗场下,我们发现该异质结呈现整流特性并受到栅压的调控。由于BP的各向异性光吸收特性,该器件的光电流显著依赖于激发光的偏振方向,最大偏振比可达0.83,远大于已报道的纯BP光电晶体管的偏振比。这一结果可归结为我们制备的p-n异质结可以有效地降低BP中光生载流子的复合几率。此外,由于多层BP和InSe均为较小带隙的直接带隙半导体,且本征载流子迁移率较高,导致BP/InSe异质结的光电探测器件具有宽谱(可见-近红外)的光响应和很快的光响应速率(20-30ms)。我们还观察到BP/InSe异质p-n结具有光伏特性,其光电流、响应度和外量子效率也可由栅压进行进一步调控。在第四章中,我们用气相沉积的办法分别在氟晶云母衬底和氧化硅衬底上生长出不同Sb掺杂浓度的(BixSb)Te薄片,并且通过改变衬底温度和生长气压实现了样品成核密度、尺寸和厚度的调控。此外,通过二次生长的办法,我们生长出砚台形(BixSb)Te/SbTe异质结。我们对生长的BiTe薄片的输运性质进行了较为系统的研究,观察到BiTe薄片具有金属-半导体转变导电特性和反弱局域化效应,数据拟合表明BiTe薄片有上下两个不相互耦合的二维表面态。此外,我们通过改变磁场方向的磁阻测量,进一步证实了反弱局域化效应来源于BiTe二维拓扑表面态。最后我们在2K下观测到了 Shubnikov-de Haas振荡,进而证实了 BiTe薄片是非平庸拓扑绝缘体,且存在拓扑表面态狄拉克费米子。在第五章中,我们提出了目前低维材料体系研究中的问题和挑战,并对未来拟开展的工作进行了展望。

关键词： 光催化   碳量子点   氮化碳   卤氧铋   抗生素   LED灯  

摘要： 随着社会经济和人们生活水平的提高,环境污染和能源危机受到越来越多的关注。光催化技术利用太阳能作为驱动力,具有高效、绿色、操作简单的优点,使其在环境和能源等方面极具应用前景。传统光催化剂如TiO、ZnO等存在着禁带宽度较大、吸光范围窄、光生载流子易复合的缺点,限制了其实际应用。因此开发一种具有可见光响应、光生电子-空穴复合率低、稳定性高的新型催化剂迫在眉睫。本文分别采用可见光响应的g-CN、光生空穴氧化能力强的BiOX和具有上转化性能的CQDs,合成了一系列的CQDs/g-CN/BiOX三元复合材料。拓宽了材料的吸光范围、降低了光生电子-空穴的复合率、增强了光催化活性,并且通过一系列的表征探讨了复合材料的组成、结构、形貌和降解性能,阐述了降解污染物的机理。本文的研究内容如下:(1)分别采用煅烧法制备g-CN、水热法制备CQDs、常温搅拌法制备CQDs/g-CN/BiOBr复合材料,利用XRD、FT-IR、XPS、DRS、TEM、SEM对复合材料的组成、结构和形貌进行了分析,发现CQDs、g-CN和BiOBr之间紧密接触并形成异质结结构。在LED灯降解RhB的实验中,发现三元复合材料的光催化降解效果明显好于二元和单体材料,其中3%CQDs/g-CN/BiOBr展现出最高的光催化活性,其降解RhB的速率常数分别是g-CN和BiOBr的44倍和6.5倍,同时在降解双酚A和四环素时,3%CQDs/g-CN/BiOBr复合材料也表现出优越的降解性能。通过PL、PT和EIS等分析,证明三元复合材料的光生电子-空穴能够有效的分离。最后基于捕获实验和半导体能带位置,阐述了CQDs/g-CN/BiOBr材料的降解机理。(2)采用模板法制备多孔g-CN(pg-CN),常温搅拌法制备CQDs/pg-CN/BiOI复合材料。通过XRD、FT-IR、DRS、XPS、TEM、SEM对复合材料的组成、结构和形貌进行分析。以LED灯为光源,甲基橙为目标污染物,发现CQDs/pg-CN/BiOI三元材料的光催化降解性能最优,其中5%CQDs/pg-CN/BiOI降解甲基橙的速率常数是pg-CN和BiOI的8倍和3.3倍,并且5%CQDs/pg-CN/BiOI复合材料对抗生素类物质环丙沙星和四环素也表现出良好的降解效果。PT和EIS等结果表明三元复合材料的光生电子-空穴的分离效率明显高于单体和二元复合物。基于捕获实验和半导体能带位置,阐述了CQDs/pg-CN/BiOI复合材料的降解机制。(3)采用常温搅拌法合成CQDs/pg-CN/BiOCl复合材料。通过XRD、FT-IR、XPS、TEM、SEM等表征手段,表明CQDs/g-CN/BiOCl三元复合材料被成功制备,并且CQDs、pg-CN和BiOCl之间形成异质结结构。为了考察自然环境中的光催化效果,本实验采用太阳光作为光源,对降解性能进行探究。其中1%CQDs/pg-CN/BiOCl的光催化性能最优,20 min即可完全降解罗丹明B,同时1%CQDs/pg-CN/BiOCl对双酚A和四环素也表现出良好的降解效果。PT和EIS测试结果表明,三元复合材料的光生电子-空穴的分离效率明显高于单体和二元复合物。基于捕获实验和半导体能带位置,阐明了CQDs/pg-CN/BiOCl复合材料的光催化降解机理。