关键词： 量子点发光二极管   表/界面修饰   聚乙烯基咔唑   1,3,5-三(溴甲基)苯   固相配体置换   溶剂工程   1,2-乙二硫醇   积极老化  

摘要： 随着显示和照明技术的不断革新,具有发射光谱连续可调、窄线宽发光、光化学性质稳定、高荧光量子产率和可溶液工艺制备等优势的量子点(quantum dots,QDs)以及基于量子点有源层的量子点发光二极管(quantum dot light-emitting diodes,QLEDs)受到了学术界和工业界的广泛关注。但是,目前QLED器件仍然存在电子和空穴传输/注入不平衡等问题,这严重制约着QLED器件性能的提高及其商用进程。针对空穴注入/传输远低于电子注入/传输这一问题,本论文分别从空穴传输层和量子点发光层两方面开展工作,通过对其进行表/界面修饰来增强空穴注入/传输能力,并最终提高了器件性能。本论文的主要研究内容和结果如下:1.利用1,3,5-三(溴甲基)苯(TBB)作为表面改性剂对空穴传输层-聚乙烯基咔唑(PVK)薄膜进行后处理来缓解量子点发光二极管中的载流子注入不平衡问题。利用多种测试技术研究了 TBB后处理对PVK空穴传输层形貌、能级、电学性能以及QLED器件性能的影响。结果表明,TBB后处理可提高PVK空穴传输层的表面平滑度,并使其最高占据分子轨道(HOMO)能级从-5.83 eV下移至-6.01 eV,从而有利于提高空穴由PVK向量子点发光层的注入效率。与未处理的QLED器件相比,TBB处理后器件的电流效率、外量子效率和功率效率分别提高了 35.09%、46.25%和28.85%,达到 16.67 cd/A、12.08%和14.07 lm/W。同时,TBB后处理也使启亮电压从2.35 V降至2.22 V。2.通过溶剂介导的固相配体置换方法,用短链1,2-乙二硫醇(EDT)配体部分替换了覆盖在QD表面上的原始长链油酸(OA)配体,并研究了溶剂(乙腈和乙醇)介导的EDT配体置换对量子点性质和器件性能的影响。研究结果表明,当使用乙醇代替乙腈作为EDT的溶剂时,EDT和OA之间的配体置换更加充分,这不仅能够改善QD之间的电荷传输,而且能够增强QLEDs中的空穴电子注入平衡。利用EDT(乙醇)配体置换后的QD所制备的QLED器件(EE-QLED)最高亮度达到190200 cd/m2,最大电流效率达18.34 cd/A,峰值外量子效率达到12.26%,最大功率效率达到9.60 lm/W,明显优于那些基于EDT(乙腈)配体置换量子点的QLED器件(EA-QLED)和基于原始量子点的QLED器件(P-QLED)。另外,对EE-QLED和P-QLED器件的积极老化进程进行了研究。结果表明,在整个老化过程中,EE-QLED的器件性能总是优于P-QLED器件,EE-QLED的最大亮度和最大功率效率分别在老化5天和8天后到达峰值,达到282400 cd/m2和23.30 lm/W,而最大电流效率和峰值外量子效率则在老化11天后达到最大值,分别为35.91 cd/A和24.00%。器件性能的提高可能主要归因于紫外固化树脂释放的酸性物质钝化了金属氧化物电子传输层中的缺陷,抑制了空穴泄漏电流。

关键词： 量子点发光二极管   离心涂覆   咖啡环效应   二硫化钼量子点   氧化石墨烯   电荷注入平衡  

摘要： 量子点发光二极管(QD-LEDs)不仅具有色彩饱和度高、稳定性好、自发光、颜色易调等优势,而且可通过溶液法在柔性基底上进行大面积制备,有望成为新一代照明显示技术,在可穿戴电子、健康监测等领域都具有广阔的应用前景。但柔性QD-LEDs的大面积制备仍面临诸多挑战,其性能也有待提升。常用的旋涂法存在厚度梯度的问题,难以制备大面积薄膜,且溶液利用率低(<10%)。而其他的溶液加工方法,如喷墨打印等易受咖啡环效应的影响,难以获得大面积、均匀致密且表面平整的纳米级薄膜。此外,电荷注入不平衡也极大地影响了器件的性能。为解决上述问题,本论文发展了离心涂覆法实现了 QD-LEDs在柔性基底上的大面积制备,并建立了二维MoS2/碳量子点和氧化石墨烯(GO)对QD-LEDs器件电荷注入/传输层进行修饰的方法,促进了器件电荷注入平衡,从而获得了高效率的QD-LEDs器件,取得的主要结果如下:(1)发展了离心涂覆制膜方法,实现了 QD-LEDs在柔性基底上的大面积制备。由于大的等效重力场环境和热辅助作用,离心涂覆法有效地降低了液膜厚度及其与基底的接触角,进而增加了溶剂挥发速率,有效抑制了由于溶质粒子迁移所引起的咖啡环效应。因此,利用离心涂覆法在柔性基底上实现了聚(3,4-亚乙二氧基噻吩)-聚(苯乙烯磺酸)(PEDOT:PSS)、聚乙烯基咔唑(PVK)、ZnCdSe/ZnSeS/ZnCdS量子点和ZnO纳米晶等纳米级薄膜的大面积制备,溶液利用率高达61.2%,所得薄膜均匀致密且表面平整。在此基础上,利用离心涂覆法将这些薄膜逐层堆叠,制备出大面积、柔性QD-LEDs器件。叠层结构依然保持高的薄膜质量,且各层之间界面清晰、结合紧密。所得红色QD-LEDs最大电流效率(CE)、功率效率(PE)和外量子效率(EQE)分别为5.7 cd A-1、3.2 lm W-1和4.9%,与在空气中利用旋涂法制备的器件性能相当。最大发光面积可达～115 cm2,高出旋涂法制备柔性QD-LEDs器件面积的～300倍。同时,设计了程序控制系统,实现了被动矩阵红/绿光QD-LEDs的动态展示,器件表现出优异的弯折稳定性和发光均匀性。(2)发现并证实了探头超声由于超声空化效应所产生的局部高温高压会导致N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)等有机溶剂碳化生成碳量子点的现象。基于此,利用探头超声实现了混合MoS2/碳量子点的一锅法制备。由于MoS2量子点和碳量子点分别具有高的载流子迁移率和功函数,利用其对PEDOT:PSS空穴注入层进行修饰,可明显提高器件的空穴注入效率。MoS2/碳量子点的掺入量为0.2 mg mL-1时,QD-LEDs器件启亮电压由2.4 V降低至2.3 V,最大CE和EQE分别为25.7 cd A-1和17.6%,与PEDOT:PSS作为空穴注入层的器件相比分别提升10.3%和 17.3%。(3)通过溶剂置换的方法成功将水中分散的GO转移至乙醇溶剂中,获得了片径主要分布在1～5 μm的单层GO乙醇分散液,GO在乙醇中依然保持良好分散性和完整性。利用GO的绝缘特点和钝化作用,对ZnO电子传输层进行修饰有效地阻滞了电子注入和传输,解决了器件电子注入效率显著高于空穴的问题,促进了 QD-LEDs器件中的电荷注入平衡。GO掺入量为0.1 mg mL-1时,器件最大CE和EQE分别为34.1 cd A-1和25.3%,与ZnO作为电子传输层的器件相比分别提升36.4%和36.8%。同时,器件具有良好的发光均匀性和光谱稳定性。

关键词： 硅烯   铁磁性   反铁磁性   超导性   非局域输运   隧穿磁电阻  

摘要： 硅烯是由单层硅原子呈蜂窝状结构排列而成的类石墨烯二维材料,由于其独特的翘曲结构,使得硅烯具有电调制能带带隙的特性.在实验上可以通过近邻效应诱导硅烯的铁磁性、反铁磁性和超导性,使得硅烯成为目前硅原子纳米技术中最具有发展潜力的新材料之一.本文利用散射矩阵的方法研究了超导磁性硅烯超晶格中的非局域量子输运.第一,研究了硅烯基铁磁/超导超晶格中的交叉Andreev反射(crossed Andreev reflection,CAR)和隧穿磁电阻(tunneling magnetoresistance,TMR).结果表明:随着能量的增加,奇超导条数超晶格中硅烯带隙内可以同时出现纯弹性共隧穿(elastic cotunneling,EC)和纯CAR过程,而在偶超导条数超晶格中硅烯带隙内只出现纯EC过程.|TMR|的最大值随着超导条数的增加而增大.奇超导条数异质结构中的TMR随着能量的增加总是正的,而偶超导条数异质结构中的TMR不仅有正值也有负值出现.EC和CAR微分电导以及TMR均关于错裂势对称.第二,研究了铁磁/超导双硅烯超晶格中的CAR和TMR.结果表明:随着能量的增加,多层结构中的EC和CAR透射系数分别出现了完美大峰谷比的振荡和单峰结构,而在超晶格结构中两个过程的透射系数的峰均发生了劈裂进而导致振荡得更剧烈.在多层结构中的TMR总是正的,而超晶格结构中的TMR不仅有正值也有负值出现,随着错裂势的增加,TMR总保持正值.EC和CAR透射系数、微分电导和TMR随着超导垒高和超导垒宽的增加分别呈现出准周期的和剧烈的振荡行为.相比于多层结构,超晶格结构中的TMR在超导相干长度附近达到最大值.第三,研究了硅烯基反铁磁/超导超晶格中的非局域运输.结果表明:随着能量的增加,多层结构中的EC透射系数出现了两个线状谷,CAR透射系数出现了明显的单峰结构,而超晶格结构中的EC和CAR透射系数分别出现的谷和峰均发生了劈裂.通过改变电场的大小可以实现纯EC和纯CAR过程的转换.多层结构有利于EC过程发生,而超晶格结构有利于CAR过程发生.相比于多层结构,超晶格结构中的EC和CAR微分电导随超导能隙的增加将更加快速衰减趋于零.希望我们的研究工作对硅烯电子器件的设计方面提供理论上的帮助.

关键词： 输运行为   量子点接触   自旋轨道耦合  

摘要： 近年来,冷原子体系中的非平衡研究逐渐成为一个热点,由于冷原子具有高度清洁性和可控性,物理学家可以在冷原子体系中实现许多材料物理中无法实现的输运行为的研究。第1章绪论,介绍了冷原子输运中的相关实验进展,最开始搭建的是二维的输运通道,在此基础上研究了粒子输运和热输运,随着实验技术的提升,二维的输运通道变成了一维的量子点接触。量子点接触的实验结果表明电导是呈阶梯状的量子化,但是值得注意的是有一个被称之为“0.7反常”的有趣现象,它的微观起源一直处于争议状态。此外,自旋轨道耦合也是一个研究热门话题,因此结合两者,本文有两个出发点,一是在考虑自旋轨道耦合后输运行为是否会出现“0.7反常”现象,另一个是分析我们的研究体系如何激发自旋电流。本文的第二部分介绍了正常费米气体通过量子点接触的输运行为。首先对量子点接触的实验构架进行了简单的介绍,随后介绍了量子点接触的基本概念。之后我们从理论的角度综述了实验结果,最终我们的结果与实验结果一致,综述结果表明在无相互作用费米系统中,电导随门电压的变化呈现出量子化的阶梯状,这一现象将物质的量子性质变得显而易见,为介观物理学提供了重要的见解,这一结果可以用兰道尔——布蒂克(Landauer-Büttiker)公式很好的描述。本文的第三部分研究了具有拉曼诱导自旋轨道耦合的费米气体之间通过量子点接触的粒子输运和自旋输运。我们表明,由于量子点接触的介观尺度,粒子电导和自旋电导都表现出了量子化的结构。与普通费米气体相比,整个参数空间的自旋轨道耦合效应增强了粒子电导量子化阶梯的高度。这意味着在介观实验中观察到的“0.7反常”现象不可能纯粹由自旋轨道耦合引起。此外,在该系统中我们还研究了自旋电流的产生。我们发现,在双光子失谐消失的情况下,自旋电流只能由两个原子库之间自旋差的偏置引起。当双光子失谐不为零时,自旋电流也可以由两个原子库之间的总粒子数的偏置产生,这可能在信息存储和计算方面具有潜在的应用。

关键词： 子能带跃迁   Ⅲ族氮化物   量子阱   自洽求解   蒙特卡洛方法   峰值波长   光电流  

摘要： Ⅲ族氮化物材料(GaN、AlN、InN及其多元合金等)制备获得的量子阱结构可以覆盖比较宽的波段范围,且具有高的LO声子能量和电子弛豫速度,因此在光电探测领域获得了越来越多的关注,其中基于子能带跃迁和输运原理的Ⅲ族氮化物量子阱红外探测器在高温、高压以及强电场等极端情况下都表现出了优异的性能。Ⅲ族氮化物量子阱结构具有比较强的极化效应,使得特定子能带跃迁峰值波长的红外探测器的设计与实现变得困难。如果能够通过数值计算方法对Ⅲ族氮化物量子阱结构的子能带跃迁和输运特性进行定量计算,探究结构参数对峰值波长、峰值吸收系数和光电流的影响,那么对于深入理解材料的物理性质以及光电探测器件的性能调控具有非常重要的参考价值。基于此,论文采用自洽求解方法和蒙特卡洛模拟方法,对Ⅲ族氮化物Al GaN/GaN量子阱和GaN/In GaN量子阱结构的子能带跃迁和输运特性进行了深入理论研究,主要研究成果如下:(1)基于自洽求解的方法,建立了Ⅲ族氮化物量子阱结构的子能带跃迁特性计算模型,并计算了在一定变化范围内势阱宽度、势垒宽度和合金组分对于极化电场、子能带能量本征值、电子面密度、子能带跃迁峰值波长和峰值光学吸收系数等特性的影响。计算结果表明,Ⅲ族氮化物量子阱结构的子能带跃迁峰值波长处于红外波段。对于本论文中的AlGaN(2 nm)/GaN(1.5 nm)量子阱结构,当势垒Al组分x为1,势阱掺杂浓度为1 10 cm时,子能带跃迁峰值波长为1.557μm,与实验测量值1.55μm比较接近;峰值光学吸收系数为7.58 10 cm。随着势阱、势垒宽度的增加或Al GaN势垒Al组分的减小,峰值波长增加,峰值光学吸收系数减小。对于本论文中的GaN(25nm)/InGaN(3.7 nm)量子阱,当势阱掺杂浓度为1 10 cm时,子能带跃迁峰值波长为6.469μm,峰值光学吸收系数为6.5 10 cm。势阱、势垒宽度的增加,都会导致峰值波长增加,峰值吸收系数减小;随着In GaN势阱In组分的增加,峰值波长减小,峰值吸收系数增大。在以上几项参数中,势阱宽度和合金组分对于峰值波长的调控作用更为显著。此外还对Al GaN/GaN量子阱和GaN/In GaN量子阱的带间跃迁峰值波长进行了计算,前者波长处于紫外波段,后者处于可见光波段。(2)基于载流子的散射理论和蒙特卡洛模拟方法,首先建立了Ⅲ族氮化物量子阱结构的输运特性计算模型。基于该模型,计算了Ⅲ族氮化物量子阱载流子的电离杂质散射、声学波形变势散射、声学波压电散射、光学波形变势散射和极性光学波散射等散射机制的散射率,计算结果表明,以上散射机制中,极性光学波散射在量子阱输运中占据主要地位。基于该模型,计算了外加电压下电子的平均漂移速度,并计算了不同势阱宽度、势垒宽度和合金组分下量子阱的光电流和响应度。计算结果表明,在峰值波长和相同外加电压下,对于本文中的Al GaN/GaN量子阱结构,随着势阱宽度、势垒宽度和Al组分的增加,光电流呈现出减小趋势;对于本文中的GaN/In GaN量子阱结构,随着势阱In组分的增加或势垒宽度、势阱宽度的减小,光电流增大。论文中建立的子能带跃迁和输运特性计算模型,具有比较好的通用性,可以用于其他量子阱结构相关特性的计算。本论文的研究结果,可以为Ⅲ族氮化物量子阱光电探测器的设计提供参考。

关键词： 复合材料   多色碳量子点   固态发光   环氧树脂   荧光薄膜   发光二极管   防伪标识  

摘要： 碳量子点（CDs)具有优异的光学性能，在生物成像、荧光探针、生物传感、光催化剂、光伏器件、防伪领域等方面有着诸多应用。目前多色荧光CDs合成主要涉及蓝绿荧光CDs合成，对于长波发射特别是红光发射CDs报道相对较少，且存在CDs合成反应温度偏高，反应时间长及荧光量子产率（PLQY)偏低等问题，这限制了CDs的大规模使用。此外，固态CDs易发生聚集诱导荧光猝灭，这也极大限制了CDs的应用。基于以上问题，首先，本文拟使用温和的溶剂热法，基于同一原料合成具有高PLQY的覆盖可见光范围的多色荧光CDs,制备CDs/环氧（EP)复合材料;其次，采用环保友好路线合成多色荧光CDs,制备多色荧光固态粉末，同时制备具有固态荧光粉末的EP复合材料，课题主要研究内容如下：　　首先，以马来酸酐（MAH)和对苯二胺（PPD)为原料，以甲酰胺（FA)、N,N-二甲基甲酰胺/硝酸（DMF/HNO3)、N,N-二甲基甲酰胺（DMF)及水（H2O)为溶剂，采用温和热处理工艺（180℃/4h)合成蓝（B-)、绿（G-)、橙（0-)、红(R-)荧光CDs,其发射波长范围为420-607nm，相对PLQY分别为55.6％、76.5％、59.5％和30.9％。CDs在365nm紫外灯连续照射10h后，其荧光强度可保留83-94％;在20-100℃不同温度下处理Ih后，荧光强度可以保持80-97％。将0.25-1.0％的四种CDs分别引入EP体系，制备的CDs/EP复合材料的拉伸强度为60-69MPa，比纯EP基体高出5-16％。四种CDs/EP复合材料的透光率可达80-91％。CDs的引入不会降低EP基体的热分解温度和玻璃化转变温度(Tg)。四种CDs/EP复合材料在120℃热处理Ih后，其荧光强度可保留84-93％;在365nm紫外灯下连续照射10h后，荧光强度可保持85-95％。合成的CDs可用于制备多色光致发光二极管（LED),也可用作荧光防伪标识。　　其次，基于简单绿色技术路线，以PPD、MAH、衣康酸酐（IA)、戊二酸酐(GA)为原料，以水为溶剂，采用温和热处理工艺（180℃/4h)合成B-CDs、G-CDs和R-CDs，其发射波长分别为441nm、480nm和641nm，相对PLQY分别为60％、66.5％和23.3％。通过简单的物理共混法，将B-CDs、G-CDs和R-CDs分别与聚乙烯吡咯烷酮（PVP)、羧甲基纤维素（CMC)和双氰胺（DCD)共混，成功制备了固态荧光B-CDs@PVP、G-CDs@CMC和R-CDs@DCD粉末。将B-CDs@PVP、G-CDs@CMC和R-CDs@DCD粉末分别加入EP不会降低EP基体的热分解温度和Tg。　　在120℃下处理1h后，EP复合材料的荧光强度可保持91-97％。在365nm紫外灯下连续激发10h后，EP复合材料的荧光强度可保持91-94％。合成的固态荧光粉末可成功用于制备光致LEDs。

关键词： 光催化   降解   g-C3N4   异质结  

摘要： 研究表明,构建异质结的策略是提高光催化剂活性的有效方法。CN与能带位置相匹配的半导体材料复合可以形成高效异质结,可有效拓宽其对太阳光的吸收和降低光生载流子的复合,如稀有金属氧化物、TiO等。氮化碳量子点(CNQDs)独特的电子结构和物理化学性质,使得它在跟半导体光催化剂复合之后,可以大大提高半导体的光催化性能。CNQDs和半导体之间的强相互作用力可以起到很好的分散和稳定作用。CNQDs具有上转换光致发光(UCPL)特性,可以激发半导体产生更多的空穴和电子,提高有效反应粒子数量。因此,CNQDs是一种优良的候选材料来修饰半导体。TiO作为性能优秀的光催化剂,自身容易团聚,进行光催化降解时会遮盖有效的反应位点,减少了对光源的利用率,所以改变TiO的形貌也是提高TiO光催化效率的一个重要手段。研究内容如下:(1)大块CN一般是用氮含量高的化合物经过高温煅烧聚合而成的,通常这些大块CN需要再次处理才能成为片层比较薄的g-CN,以三聚氰胺和三聚氯氰为原料,通过低温聚合法这一步处理合成出了结构松散不堆积g-CN纳米线。再使用Ti Cl为钛源,利用水热法在CN纳米线上负载TiO,制备了T-CN复合材料。对材料负载前后的形貌变化、晶型结构、本征跃迁方式,光生载流子分离能力等进行了一系列表征和测试。最后在模拟太阳光下不同负载量的样品对罗丹明B(Rh B)进行降解实验,得出了最优负载量光催化降解Rh B和4-CP降解效率达到为91%和95%,是L-CN的1.9和2.6倍。(2)结合传统单相二氧化钛(TiO)在光催化过程中存在光生载流子复合率高、能带较宽、水相中易团聚等特点,利用简易水热法将氮化碳量子点(CNQDs)负载在TiO空心球(K-T)上制成CNQDs/TiO复合材料,利用XRD和Raman光谱对复合材料的晶体结构晶型分析并用于确定CNQDs是否负载;利用UV-vis DRs表征是利用样品本身对紫外光和可见光的吸收产生的紫外吸收光谱和吸收强度对样品的光催化能力进行推断;PL光谱判断样品的本征跃迁方式,并根据吸收强度光生载流子的存活时间;SEM和TEM可以更直观的看到材料负载前后的形貌变化;XPS表征对结构的分峰可以确定CNQDs的负载情况及对TiO空心球晶型的影响。通过制备的一系列样品在模拟太阳光下对罗丹明B(Rh B)进行降解实验来得出最好的负载量。为排除染料敏化对光催化实验影响,又对氯苯酚(4-CP)进行了光催化降解实验,光催化效率达到了93%和85%,约为商用TiO的3.0和3.4倍,并且具有良好的稳定性,可重复利用。(3)采用“自下而上”的策略利用水热法制备了CQDs,再将其负载在低温热聚合制得的g-CN纳米线上,旨在利用CQDs的可见光响应和UCPL特性,得到有良好光催化性能的CQDs/g-CN复合材料。利用XRD和FR-IR光谱对复合材料的晶体结构晶型分析并用于确定CQDs是否负载;进行UV-vis DRs表征是利用样品本身对紫外光和可见光的吸收产生的紫外吸收光谱和吸收强度对样品的光催化能力进行判断;根据PL光谱反应样品的本征跃迁,并根据吸收强度光生载流子的存活时间;SEM和TEM在宏观上反应形貌特征;XPS表征对结构的分峰可以确定CQDs的负载情况及对g-CN晶型的影响,以及基底材料负载前后的元素比,判断CQDs是否负载。通过制备的一系列样品在模拟太阳光下对罗丹明B(Rh B)进行降解实验来得出最好的负载量。为排除染料敏化对光催化实验影响,又对氯苯酚(4-CP)进行了光催化降解实验。CQD/CN@0.6表现出的光催化效率达到了95.2%和85.3%,并且具有良好的稳定性,重复使用5次后降解效果仍有。

关键词： GaN   多量子阱   光电器件   可见光通信  

摘要： 随着国家碳达峰、碳中和战略的提出,社会对能源的需求日益紧迫。如何利用好光能这一绿色环保低碳能源,越来越成为当下的研究热点。同时,随着无线电频谱资源的日益紧缺,如何满足更高速、更大范围的通信需求也成为通信方向的痛点问题。随着第三代半导体材料制备技术的成熟以及发光二极管、光电探测器、光伏电池等光电器件的逐渐涌现,利用GaN材料制备光电器件进行可见光通信逐渐进入了人们的视野。GaN材料基光电器件能耗低、效率高、成本低,目前正越来越广泛地运用在通信、照明、光伏等行业之中。本文首先研究了基于GaN多量子阱材料光电器件分别作为发光器件、光电探测器件以及太阳能电池的工作原理,分析出其作为以上三种器件的核心优势;随后对基于GaN多量子阱材料的光电器件制造工艺进行了详细的介绍,在器件底部通过蒸镀布拉格反射镜进一步提升了器件的性能。随后通过扫描电子显微镜、原子力显微镜等对其进行基本表征,然后分别对其发光性能、探测性能以及光伏性能进行测试分析,主要包括伏安特性、量子效率、发光、探测光谱以及能量转换效率等。研究了其发光光谱与探测光谱存在的重叠区,设计并研究了作为光伏器件的能源阵列的工作特性。实验得出,基于GaN多量子阱材料的光电器件具有良好的光-电转换以及电-光转换能力,同时得到其发光光谱与探测光谱存在约48 nm的重叠区。本文根据光电器件的光学和电学性能,设计了以光电器件为核心的可见光通信系统。通过将光电器件作为接收器接收外部信号,实现了1Mbps的通信速率;将光电器件组成的能源阵列接收调制光并驱动发光二极管点亮并发射,实现了50Kbps的通信速率,并成功传输音频;将能源阵列接受外部光照为系统供能,采用两路独立外部调制光分别照射两个光电探测器,耦合信号驱动发光二极管点亮并发射耦合信号,实现了150Kbps的通信速率并成功解析出两路信号。实验结果表明,基于GaN多量子阱材料的光电器件具有优秀的可见光通信性能与光伏性能,为实现能源、通信、传感一体化可见光通信提供了初步的解决方案,有效助力绿色发展。

关键词： 纳米纤维素   量子点   荧光传感   防伪膜材料   荧光水凝胶  

摘要： 对石油资源的无与伦比的依赖促使研究界专注于开发可再生产品,其中纳米纤维素因其含量丰富、可生物降解和生物相容性而处于研究热潮的顶峰。荧光量子点由于成本低、灵敏度高、操作容易等优点也使荧光技术被广泛使用在光致发光、检测分析和生物医药等领域。纳米纤维素基荧光复合材料是一种新型功能材料,具有独特的光化学物理性质,在荧光探针、生物成像、传感器和药物传递等领域有广泛应用。纳米纤维素作为荧光分子和纳米粒子的底物或基质引起了人们的兴趣,并且这种组合具有开发新的功能材料的潜力,这些材料将纳米纤维素的结构和功能与量子点的独特光学性质相结合,实现了在荧光传感器领域中的应用。本文以杨木木粉提取的纳米纤维素为原材料通过化学、物理改性,制备四种纳米纤维素基荧光复合传感器,并对其性质、结构及机理特点开展相关研究。首先合成荧光氮掺杂碳点/Au NPs,利用酶的高活性实现了对环境水样中农药甲基对硫磷的检测;其次,合成了一种氮、硫共掺杂碳点/Mn O2,基于“开-关-开”模式实现了对生物液体中抗坏血酸的测量;之后,合成了一种纳米纤维素/Cd Te量子点荧光复合防伪薄膜材料,并对其结构和性质进行表征;最后将Mn:Zn S量子点共轭固定在纳米纤维素表面合成一种新型的荧光水凝胶传感器,并实现了对血清中谷胱甘肽的高灵敏选择性检测。本文主要从以下几个方面开展了工作1、纳米纤维素（CNFs）从杨木木粉中提取,以CNFs为碳源,赖氨酸为氮源,通过微波反应法一步制备氮掺杂碳点（N-CDs）/Au NPs传感器,用于检测环境水样中的有机磷农药甲基对硫磷（PTM）。本文用XPS、XRD、TEM、紫外、红外以及荧光等方法对该材料的结构、形貌和光学特性进行表征。基于内滤效应Au NPs有效的使N-CDs荧光猝灭,鱼精蛋白（PRO）通过静电作用使Au NPs聚集并增强荧光强度,木瓜蛋白酶（PAP）可有效的水解PRO从而释放Au NPs,体系荧光再次猝灭。在PTM的存在下,PAP的活性受到了抑制,阻止了PRO的水解,并再次激活N-CDs体系的荧光。依据以上的机制,合成了一种低毒、生物相容性且高灵敏度的荧光探针,在优化条件下,PTM的线性范围为0-1200 ng m L-1,检出限为0.037 ng m L-1。此生物传感器可以对复杂水样中农药PTM进行定量检测,获得使人满意的结果。2、以杨木木粉中提取的CNFs为碳源,巯基乙酸为氮、硫源。通过水热法一步制备氮、硫共掺杂的碳点（N,S-CDs）,用于检测生物液体血清中的抗坏血酸（AA）。通过荧光光谱、XPS、TEM、XRD、红外和紫外等对该材料进行表征。将KMn O4加入到N,S-CDs/MES体系中,通过超声反应生成N,S-CDs/Mn O2复合纳米材料,Mn O2通过静态猝灭机理使体系荧光强度降低,AA可以触发Mn O2纳米材料分解,由于AA与Mn O2的氧化还原反应,使Mn O2被还原为Mn2+,从而使体系的荧光恢复。在最优条件下,AA在0.1-10μM范围内获得线性关系,检出限为28 n M。本实验开发了一种基于荧光“开-关-开”模式检测血清中的AA,获得了满意的结果,回收率在93.3-103.6%范围内。3、构建了一种具有良好发光、机械、透明以及化学稳定性的TEMPO-CNF/Cd Te QDs纳米复合防伪薄膜材料。从杨木木粉中提取CNFs,通过TEMPO氧化将羧基引入CNFs表面,可以进一步与半胱胺修饰的Cd Te QDs以EDC/NHS化学法结合形成酰胺键,在通过真空过滤热压法来构建光致发光的纤维素膜。通过调节Cd Te QDs不同结构块的浓度,可以在复合膜上获得不同发射颜色。通过拉伸测量、电镜、XRD、TG、接触角和荧光光谱对薄膜的结构和性质进行表征。获得了高透光率（>80%）、量子产率（36.9%）、强拉伸强度（110.0 MPa）和良好的亲水性（接触角约为30~o）的绿色环保荧光纳米复合薄膜。4、通过TEMPO氧化法处理杨木木粉中提取的CNFs,与乙二胺修饰的锰掺杂硫化锌量子点（Mn:Zn S QDs）,基于Li OH/KOH/尿素体系在交联剂环氧氯丙烷的存在下交联共轭结合成一种新型的荧光水凝胶传感器（Mn:Zn S QDs@CNHs）,并成功应用于对谷胱甘肽（GSH）的快速检测。Hg2+通过静态猝灭机理使Mn:Zn S QDs@CNHs系统的荧光关闭,随着GSH的加入,Hg2+与GSH结合形成稳定螯合物,使体系的荧光恢复。依据上述机理,构建了一种响应性开启式荧光水凝胶传感体系,由于高选择性和灵敏性成功的应用于生物环境血清中GSH的检测,并获得优异结果,回收率为94.1-103.0%。

关键词： 钙钛矿量子点   掺杂   配体修饰   发光二极管  

摘要： 卤化物钙钛矿量子点(Quantum Dots,QDs)以其成本低廉、单色性好、制备简单等优点,在QDs发光二极管(light-emitting diodes,QLED)、光电探测、太阳能电池以及微激光等领域展现出巨大的应用价值。其中,全无机钙钛矿量子点(CsPbX,X=Cl,Br,I)具有光致发光半高宽窄、溶液合成方便、光致发光量子效率高等优异的光学性能,而受到了研发人员的关注。然而,表面缺陷一直是限制钙钛矿量子点进一步产业化应用的主要问题。本文以提高量子点发光二极管的性能为目标,通过金属离子掺杂和配体表面修饰的方法,成功制备出了色纯度高且性能优秀的卤化物钙钛矿量子点发光二极管器件。本论文的主要研究内容如下:(1)研究了ZnBr作为QDs表面配体对CsPbBrQDs光学性能的影响并将其应用于电致发光QLED器件。结果表明,Zn Br配体修饰可以显著地减少QDs表面的非辐射复合中心,有利于QDs薄膜中的电荷传输。采用了Zn Br配体修饰策的CsPbBr QDs作为发光层,制备了ITO/PEDOT:PSS/PTAA/QDs/TPBi/Li F/Al结构的QLED器件,该器件的最大亮度为16130 cd/m,相比于未修饰的QDs器件,提升了335%,外量子效率为7.74%,提升了63%。由此可见,该方法可以有效提高QLED的性能。因此,该方法能够使得CsPbBr QLED器件更加接近工业化时代的要求。(2)为了进一步提高CsPbBr QDs的发光效率,研究了钠离子掺杂CsPbBr量子点的制备,并将其应用于电致发光QLED器件。在合成CsPbBr QDs初期,加入钠离子源,通过配体辅助再沉积技术,制备了Na离子掺杂的CsPbBr QDs,并详细地研究了不同Na离子浓度对CsPbBr QDs光学和电学性质的影响。结果表明,在Na/Cs比为1/3时,最大量子效率为94.74%(未掺杂的为77.34%),辐射复合速率为30.4μs,荧光寿命为31.2 ns。将此Na离子掺杂的CsPbBr QDs作为发光材料,制备了电致发光的QLED器件。该器件实现最大亮度为20190cd/m,最大电流效率为34.5 cd/A,外量子效率达到8.97%。这种离子掺杂的研究方法,为进一步制备高效、稳定、多色QLED提供了新思路。