关键词： 植物纤维   纳米纤维素   碳量子点   功能复合材料  

摘要： 纤维素是自然界中储量最为丰富的可再生生物质资源,具有来源广、可降解、制备简便等优点,在替代石油化合物材料领域得到广泛的关注。目前植物纤维素及其衍生材料的应用领域主要集中在制浆造纸、生物质精炼等传统领域,由于纤维素基复合材料的制备方法和作用机理的复杂性导致其在高值化应用方面进展缓慢。碳量子点（CQDs）是一类尺寸小于10 nm的碳纳米材料,除了具有纳米效应外,还具有发光可调、生物相容性好、低毒、易改性等优异的物理和化学性质,在防伪、传感、光催化、生物成像等众多领域具有广阔的应用前景。然而,聚集猝灭效应导致碳量子点在固体状态发光猝灭,限制了其应用范围。植物纤维素表面具有高反应位点,可为碳量子点提供足够负载的空间,使得以纤维素为骨架制备的纤维素/碳量子点功能复合材料具有巨大的发展潜力和应用前景。鉴于此,本论文以植物纤维素为骨架,以碳量子点为功能性添加剂,充分利用碳量子点的优异性能,采用物理吸附和化学键合的方法制备得到植物纤维素/碳量子点功能复合材料,并探索其高值化应用途径及作用机理,为纤维素/碳量子点复合功能材料的深层次开发和综合利用提供科学依据和研究思路。主要包括以下几方面的工作:（1）以机械法制备的纳米纤丝纤维素（NFC）为原料,对其进行醛基化处理得到含有双醛结构的NFC（DANFC）。以柠檬酸为碳源,乙二胺、氯化镱（YbCl3）和氯化铒（ErCl3）为改性剂得到稀土元素掺杂的碳量子点（Yb/Er-CQDs）。随后诱导表面含醛基的DANFC与表面含氨基的Yb/Er-CQDs发生还原胺化反应,成功制备复合荧光材料（Yb/Er-CQDs-DANFC）。结果表明,Yb/Er-CQDs-DANFC在370 nm紫外光激发下发出450 nm的蓝光,在980 nm近红外光激发下发出550 nm的绿光,表现出优异的光致发光（PL）和上转换发光性能（UCPL）。将Yb/Er-CQDs-DANFC添加到水性油墨中,其剪切稀化性能及剪切过程中良好的网络结构成型能力改善油墨的触变性,使其在不同基底上都表现出良好的荧光防伪性能。（2）以针叶木浆为原料,采用TEMPO氧化工艺结合超微粒研磨技术制备得到羧基化纳米纤丝纤维素（TNFC）。以柠檬酸为碳源,尿素为改性剂,通过改变原料配比和反应温度,制备得到具有蓝色、绿色、黄色和红色四种不同发光的CQDs。通过密度泛函理论（DFT）对CQDs的发光机理进行研究,证实了通过控制表面氧化程度及尺寸大小可实现CQDs的可调发光。随后以TNFC为可持续前驱体和骨架,通过诱导TNFC表面羧基与CQDs表面氨基之间发生酰胺化反应制备得到四种固态发光的复合材料（TNFC/CQDs）,有效地解决了固态猝灭问题。通过在灯罩内壁涂敷TNFC/CQDs制备发光器件（LEDs）,得到了色度坐标为（0.34,0.35）,显色指数为89.4的纯白光LEDs（WLEDs）。通过荧光共振能量转移机理（FRET）解释了复合材料内部的能量转移过程,进一步揭示了WLEDs的白光发射机理。（3）以针叶木浆为原料,通过机械法制备得到了NFC。以硫酸法纳米纤维素晶（CNC）为原料,经过碱性条件下的水热碳化及H2O2/NaOH氧化反应将CNC分解成CQDs,结果显示,CQDs具有优异的PL发光和UCPL发光性能。以市售二氧化钛P25为原料,碱性条件下通过水热反应制备得到钛酸纳米线,随后经过高温碳化得到宽度约为100-130 nm,厚度约为15-20 nm,长度约为5-10μm的二氧化钛纳米带（Ti O2-NBs）,其光照下对磺胺嘧啶（SDZ）的催化降解产率为P25的1.3倍,降解速率为P25的1.8倍。随后,以NFC为骨架,多巴胺（PDA）为粘合剂,CQDs复合Ti O2-NBs纳米材料（Ti O2-NBs-CQDs）为主体催化剂,结合定向冷冻技术制备得到了具有三维网络结构的PNFC-Ti O2-NBs-CQDs复合气凝胶,由于其大的比表面积和良好的吸附性能,气凝胶材料对SDZ在120 min内的吸附降解率达到95.3%,是P25的1.8倍,降解速率为P25的3.8倍。利用密度泛函理论构建模型解析了PNFC-Ti O2-NBs-CQDs的催化机理,其中CQDs在体系中具有拓宽光吸收领域及作为电子受体两方面作用,为纤维素/碳量子点功能材料的开发提供了理论依据。（4）以柠檬酸为碳源,尿素为改性剂制备得到氮掺杂的CQDs（NCQDs）,在365nm紫外光激发下发出447 nm的蓝光。以NCQDs为还原剂,牛血清蛋白（BSA）为稳定剂制备得到了纳米银簇（AgNCs）,在365 nm紫外光激发下发出533 nm的绿光。基于AgNCs与半胱氨酸（Cys）之间存在的特异性结合能力,将NCQDs与AgNCs按质量比5:4复合制备得到了NCQDs/AgNCs纳米比率探针,并用

关键词： 碳量子点   还原氧化石墨烯气凝胶   杂原子掺杂   NiCo2S4   超级电容器  

摘要： 碳量子点（CQDs）作为一种新型的碳材料,拥有良好的生物相容性、化学稳定性和无毒性等优点而被广泛应用于生物医学、传感器以及光电催化等领域。近年来,由于CQDs比表面积大、表面含氧官能团丰富、边缘缺陷众多以及制备工艺简单等优点,在超级电容器领域逐渐引起越来越多的关注。本工作采用改进的化学氧化法制备了CQDs,并进一步构建了CQDs基复合气凝胶电极材料,研究了其在对称和混合超级电容器中的应用。主要研究内容和结果如下:（1）以商业化的乙炔黑为碳源,利用改进的化学氧化法合成了CQDs,并进一步利用水热法制备了氮硼共掺杂CQDs/还原氧化石墨烯（rGO）复合气凝胶（N,B-CQDs/rGO）。结果表明,与rGO和N,B-rGO相比,N,B-CQDs/rGO复合气凝胶展现出增强的比容量,在1A g-1下比容量高达361.9 F g-1,即使在50 A g-1下比容量仍然可达230.5 F g-1。这增强的电容性能归因于CQDs的引入、N和B共掺杂改性以及独特的三维多孔气凝胶结构的协同作用。此外,以N,B-CQDs/rGO复合气凝胶电极构建了对称超级电容器,该器件在125W kg-1的功率密度下能量密度可达8.81 Wh kg-1,即使在10 k W kg-1的高功率密度下能量密度仍保持为7.15 Wh kg-1,并展现出优良的循环稳定性,在3 A g-1下10000次循环后的容量保持率高达90.1%。（2）以商业化的微米级石墨粉为碳源,利用改进的化学氧化法制备了CQDs,并进一步利用水热法合成了氮磷共掺杂CQDs/rGO复合气凝胶（N,P-CQDs/rGO）。结果表明,该复合气凝胶展现出高的比容量(在1 A g-1下比容量高达453.7 F g-1)、优异的倍率性能(在50 A g-1下比容量仍可达315.5 F g-1)和优良的循环稳定性(在10 A g-1下10000次循环后容量保持率为93.5%)。此外,以N,P-CQDs/rGO复合气凝胶电极组装了对称超级电容器,含磷官能团的引入拓宽了器件的工作电压窗口（1.3V）,从而提高了器件的能量密度。该器件在325 W kg-1的功率密度下能量密度高达15.69 Wh kg-1,即使在13 k W kg-1的超高功率密度下能量密度仍为10.84 Wh kg-1,并展现出良好的循环稳定性,在5 A g-1下10000次循环后的容量保持率为85.5%。（3）为了进一步改善CQDs基复合气凝胶电极材料的比容量,利用水热法合成了氮硫共掺杂CQDs/rGO/NiCo2S4复合气凝胶（N,S-CQDs/rGO/NiCo2S4）。结果表明,该复合气凝胶展现出高的比容量(在1 A g-1下比容量高达162.6 m Ah g-1)、优异的倍率性能(在50 A g-1下比容量仍有125.7 m Ah g-1)和良好的循环稳定性(在3 A g-1下5000次循环后容量保持率为87.5%)。这优异的电容性能是由于具有优良导电性和结构稳定性的三维多孔结构N,S-CQDs/rGO气凝胶以及具有丰富氧化还原反应的NiCo2S4的协同作用。此外,以N,S-CQDs/rGO/NiCo2S4复合气凝胶为正极、N,S-CQDs/rGO复合气凝胶为负极构建了混合超级电容器。该器件表现出高的能量密度,在287.8 W kg-1的功率密度下能量密度为51.0 Wh kg-1,即使在14.4 k W kg-1的高功率密度下能量密度仍然可达17.2 Wh kg-1,并展现出良好的循环稳定性,在3 A g-1下10000次循环后的容量保持率为82.9%。

关键词： 七铝酸十二钙   钙钛矿量子点   复合材料   染料敏化太阳能电池  

摘要： 随着电子信息产业的发展和科技的进步,人们对光电材料的性能和加工要求也逐步提高。在这一需求下许多研究者开始研发一种能把两种或多种光电材料的优势综合到一起的复合材料,与原材料相比复合材料的光学和电学性能都得到了显著的提高。本文以上转换纳米材料/钙钛矿量子点复合物为研究对象,对复合物的物相结构和光学性能展开研究,并把复合物应用到了染料敏化太阳能电池中。采用配体辅助的再沉淀法合成了不同卤素离子含量的钙钛矿量子点Cs3Bi2X9（X=Br,I）,对样品进行物相结构测试和光学性能测试。物相测试结果说明随着I-离子的增加,样品的结构会从Cs3Bi2Br9转变成Cs3Bi2I9,红外光谱的结果说明样品的表面存在着许多配体。荧光光谱和紫外吸收光谱的结果显示,通过调节Br-、I-的比例,可以使样品从的荧光发射峰从429 nm的蓝光区域移动到527 nm的绿光区域,紫外吸收峰从355 nm移动到372 nm。在不同的水热条件下制备了C12A7:Yb3+/Tm3+和C12A7:Er3+/Gd3+。其中上转换纳米材料C12A7:Yb3+/Tm3+能够在476 nm处辐射出上转换蓝光,在656 nm处辐射出上转换红光。在180℃/12 h的条件下合成的12A7:Yb3+/Tm3+样品的光学性能最好。而C12A7:Er3+/Gd3+样品在528 nm和550 nm处产生上转换绿光,在663 nm处产生上转换红光,它的最佳的水热条件为150℃/6 h。将制备得到的钙钛矿Cs3Bi2X9（X=Br,I）与上转换纳米材料C12A7:Yb3+/Tm3+和C12A7:Er3+/Gd3+混合,得到了相应的上转换纳米材料/钙钛矿量子点复合物。在上转换纳米材料中引入钙钛矿量子点后,材料的荧光发光强度和荧光寿命都得到了显著的提高。在C12A7:Yb3+/Tm3+@Cs3Bi2Br9复合物中,随着Cs3Bi2Br9的增加材料中Tm3+离子的1G4→3H6上转换蓝光发射明显增强了。在C12A7:Er3+/Gd3+@Cs3Bi2Br9复合物中,钙钛矿Cs3Bi2Br9起到了增强Er3+离子上转换绿光4S3/2→4I15/2发射的作用。当过度添加Cs3Bi2Br9时材料的光学性能反而会下降。而加入Cs3Bi2I9后,样品的上转换发光强度和寿命被削弱了。把合成的Yb3+/Tm3+@Cs3Bi2Br9和C12A7:Er3+/Gd3+@Cs3Bi2Br9复合物应用到染料敏化太阳能电池中。根据电池的电化学测试和紫外吸收光谱结果可以知道,随着掺杂的Cs3Bi2Br9增加复合物电池的光电转换效率和对光的吸收强度提高,对光的透过率下降,说明电池的总体性能提高了。但当Cs3Bi2Br9添加量过量时电池的性能反而会下降。

关键词： 二维材料   压电效应   电子结构特征   光吸收谱   自旋极化输运  

摘要： 随着石墨烯的成功制备,各类原子级厚度的二维材料及它们的纳米结构迅速吸引了人们的目光。二维材料突破了三维块体材料在小尺度下的瓶颈,展现出的新奇物理性质大大拓宽了材料的应用范围,在未来的电子、能源、功能材料等许多方面都有着巨大的应用潜力。为了更好地实现它们的应用,对这些材料的电子结构、光学性质以及输运性质的研究是非常重要的。本文主要工作围绕Mo S2、硅烯等几种新兴的二维材料以及它们的纳米结构展开,通过紧束缚近似方法研究了它们的电子结构、光学性质以及量子输运性质,主要内容如下:第一章首先简要地介绍了二维材料的研究背景。随后,阐述了过渡金属硫族化合物、硅烯、铋烯等几种典型的二维材料的研究现状。最后介绍了本论文的研究意义和组织结构。第二章主要介绍了电子结构及输运性质理论计算的方法,包括紧束缚近似、散射矩阵、传输矩阵以及表面格林函数。此外,还对两款不同的计算软件包（Kwant和Pybinding）及其相应原理进行了介绍。第三章主要研究了压电效应对单层锯齿状Mo S2纳米带边缘态的自旋极化影响,理论上提出了一种高性能压电自旋晶体管的设计方法。研究表明应变诱导的压电电势使得Mo S2纳米带的边缘态发生相变,即从金属相转变成半导体相。但是在交换场的作用下,边缘态又转变成具有明显的自旋劈裂和自旋极化的半金属相,且该自旋极化受外部应变调控。进一步研究表明体系电导在一定的应变范围内均表现出100%的自旋极化。第四章主要研究了在垂直磁场作用下锯齿状六边形硅烯量子点的电子和光学性质。研究表明随着六边形硅烯量子点的尺寸增长,边缘态会出现在量子点的能隙中。引入垂直磁场后,边缘态对应的能级在自旋轨道耦合作用下会随磁通量增大而振荡。但是,体态对应的能级在磁场作用下逐渐形成朗道能级。另外,随着自旋轨道耦合强度增加,光吸收峰发生蓝移,且光吸收在磁场作用下主要发生在朗道能级之间。第五章对全文工作进行总结,并作出展望。

关键词： SnO2   CuO量子点   ZnO量子点   气体传感器  

摘要： 人类在享受着科技发展带来的各种便捷的同时,也需要时刻关注各种污染对环境造成的不可逆转的伤害,例如大气污染,已经对人类的身体健康造成了不可小觑的伤害,因此对有毒有害气体的检测和监控更应被格外的重视。用于制备气体传感器的材料及复合材料种类繁多,目前金属氧化物二氧化锡（SnO2）及其复合材料被各国学者广泛关注。本文采用氧化锌（ZnO）量子点和氧化铜（CuO）量子点分别复合SnO2,以提高气体传感器性能。对测试结果中气体传感器的性能进行全方位比较,进而比较用于气体传感器的敏感材料性质的优劣。本文具体内容如下:（1）通过调节实验参数来控制SnO2材料的形貌。对样品进行表征,并进行了气敏性能测试,结果表明SnO2-3传感器与其他三个样品相比展现出了更加优质的气敏性能。（2）复合ZnO量子点,对具有较规则形貌且性质良好的SnO2-3传感器的性能进行提高。通过表征以及气敏性能测试得到如下结果:SnO2-3在复合ZnO量子点后灵敏度下降,最佳温度升高,响应-恢复时间加快。由此可知,ZnO量子点的引入对材料气敏性能的优化作用很小。（3）复合CuO量子点,对SnO2-3传感器进行性能提高,进行了表征以及气敏性能测试。结果表明:SnO2-3在复合CuO量子点后杂质浓度增加;气敏性能测试结果表明:SnO2-3在复合CuO量子点后,最佳工作温度降低,选择性能得到了提升,因此CuO量子点的复合对SnO2-3传感器性能提高有着显著效果。这项工作提出了一种对SnO2传感器通过复合量子点提升气敏性能的方法,证实了量子点复合在气体传感器领域具有很大的应用潜力。

关键词： 第一性原理计算   二维磁性材料   隧穿磁电阻   量子输运   自旋过滤效应  

摘要： 自旋和电荷是电子固有的内禀属性,前者主要用于信息的处理和传输,而后者大多用于信息的储存,通常由磁性材料完成。若一种材料同时具备这两种属性,那么就十分使用于自旋电子学的研究[1]。自旋阀[2]以及磁隧道结（MTJs）[3-6]都是自旋电子学器件的关键组成元件,其中MTJs是应用最广泛的一种,研究表明,MTJs具备的高自旋过滤效应和磁隧穿电阻（TMR）效应对自旋注入效率、信息存储容量提升等方面有重要作用。不幸的是,传统的磁隧道结面临着许多问题,例如:铁磁电极和势垒的缺陷失序,异质结的界面氧化、热稳定性差、器件寿命短等问题,这些都会使得TMR降低,因此越来越满足当今科技的要求。随着二维材料的快速发展,大量的二维本征磁性材料先后被发现,基于二维材料的范德瓦尔异质结成为了MTJs研究领域的重点。我们需要具备高居里温度、较高的载流子迁移率、大的垂直磁各向异性、近100%自旋极化率等诸多优异特性的二维材料。石墨烯（Gr）和三碘化铬（CrI3）凭借优异的磁学和电子结构特性从众多的二维材料中脱颖而出,基于以上分析,我们将这两种二维材料结合起来,组成范德瓦尔斯异质结。本文利用密度泛函理论方法（DFT）研究了Gr|2ML-CrI3（AB）|Gr异质结的稳定性、界面构型以及能带结构;利用密度泛函理论与非平衡格林函数结合方法[7]（NEGF-DFT）深入探讨了Gr|2ML-CrI3（AB）|Gr异质结自旋注入率（SIE）和磁隧穿电阻（TMR）,为开发新型范德瓦尔斯异质结器件提供了理论支撑。主要内容和研究结果如下:1.设计了Gr|2ML-CrI3（AB）|Gr范德华异质结的界面结构、范德瓦尔斯间距、结构稳定性等。结果发现,六种界面结构的范德华间距和体系总能量相差不大,证实了Gr与CrI3组成范德华异质结,界面层的平滑对体系稳定性和磁性的影响很小。2.分析了Gr|2ML-CrI3（AB）|Gr异质结的能带结构,发现了层间铁磁（FM）耦合状态（PC）,自旋向上的电子可以畅通无阻地通过,自旋向下的电子遇到一个较宽的带隙;层间反铁磁（AFM）耦合状态（APC）,两种自旋组态的电子均遇到一定的带隙,且在狄拉克点附近有一定的散射态,所以两种电流都存在,但很微弱。揭示了自旋过滤效应的机制。3.研究了Gr|2ML-CrI3（AB）|Gr异质结的量子输运性质,结果表明了:对于PC,具有完美的自旋过滤效应（100%）,将自旋向下的电子全部过滤掉;对于APC,自旋极化率不足50%。该体系的TMR很大,在PC态0.05V下,可达到最大值（近20000%）。此外,该体系在某几段偏压区间内存在显著的负微分电阻效应（NDR）。本文的研究结果为实验上基于范德瓦尔斯异质结,制备量子输运器件提供了理论支持。

关键词： 荧光碳量子点   荧光淬灭   胰蛋白酶   唾液酸   溶酶体pH  

摘要： 碳量子点作为一种新型的“零维”碳纳米材料,具有良好的生物相容性、低毒性、高灵敏度、快速响应和实验操作简单等优点,作为荧光探针已被广泛应用于环境和生物体系中的各种目标物的检测。得益于体积小、比表面积大和表面官能团丰富等特性,碳量子点具有很高的反应活性,对周围环境的变化非常敏感。例如温度、离子强度和溶剂的改变均可导致碳量子点光学性质的改变。基于碳量子点构建的荧光传感器的基本分析原理是碳量子点的识别组分与分析物之间存在相互作用,这种相互作用会引起碳量子点的荧光性质发生变化,且与目标分析物的浓度存在定量关系。荧光传感器的信号输出主要包括四种类型,即淬灭型、增强型、比率型和发射波长位移型。本论文中,我们采用一步合成方法制备了三种不同功能化碳量子点,并充分表征分析了其各项性能。基于制备的碳量子点,分别建立了增强型、淬灭型和比率型荧光传感器,并成功应用于胰蛋白酶和唾液酸的检测以及活细胞中溶酶体p H的检测与成像。具体的研究工作如下:1.基于氨基化碳量子点和金纳米粒子（Au NPs）之间的荧光内滤效应（Inner Filter Effect,IFE）,构建了一种高灵敏度和高选择性的增强型（turn-on）荧光传感器用于胰蛋白酶的检测。该体系中,碳量子点作为荧光的供体,Au NPs作为荧光的淬灭剂。设计带有半胱氨酸且整体带负电荷的短肽链作为胰蛋白酶的识别底物。此荧光传感器的工作原理如下:多肽链中的负电荷片段可以被胰蛋白酶识别并水解,从而释放出含有巯基且带正电荷的短肽链片段。由于含有巯基的带正电荷的肽链与带负电荷的Au NPs之间存在有较强的静电相互作用和Au-S键联,诱导Au NPs发生聚集,从而使Au NPs与碳量子点之间的IFE作用被破坏,导致碳量子点的荧光得以恢复。通过测试碳量子点荧光强度的变化实现对胰蛋白酶含量的检测。在最佳的实验条件下,该荧光传感器的检测线性范围在2.5-80 ng m L-1之间,检出限为0.84 ng m L-1。同时,将该荧光传感器成功用于加标人血清样品中胰蛋白酶的检测,为与胰蛋白酶相关疾病的临床诊断提供了依据。2.细胞膜表面的聚糖链末端通常含具有九个碳原子结构的唾液酸（Sialic acid,SA）,其在各种生理和病理中都起着至关重要的作用。目前,唾液酸已被作为肿瘤相关的生物标记物,其在人体血液中过度的表达可以作为各种癌症或者心血管疾病早期诊断的重要依据。通过一步水热法合成了硼酸功能化的碳量子点,并基于静态淬灭效应建立了淬灭型（turn-off）荧光传感器用于唾液酸的检测。本实验采用3-吡啶硼酸作为唯一的碳源,通过一步水热法合成了硼酸化碳量子点。当在体系中引入唾液酸后,唾液酸可以选择性的识别硼酸化碳量子点,并与其发生静态淬灭效应以此检测唾液酸。该荧光传感器的检测线性范围在80-3000μmol L-1之间,检出限为26μmol L-1。此外,将该荧光传感器成功用于加标人血清中唾液酸的检测,加标回收率在92.5-102%之间。相对于其它检测唾液酸的荧光法和比色法,本方法具有操作简单、耗时短（可以在4 min内获得检测结果）、灵敏度高和选择性好等优点,可作为唾液酸检测的优选方法。3.通过一锅水热法合成氨基化的具有黄色和蓝色双波长发射荧光的碳量子点,并将其作为比率型荧光探针用于活细胞中溶酶体p H的检测和荧光成像。在合成碳量子点的过程中,可直接功能化大量的氨基基团。在380 nm单波长激发下,该碳量子点在550 nm和439 nm波长处表现出双波长的荧光发射峰。作为细胞中最酸性的细胞器,溶酶体内含有很多的酸性物质,含有碱性氨基基团的荧光探针可以更好地靶向溶酶体。由于该比率型荧光探针表面含有丰富的氨基基团并具有良好的生物相容性,它对活细胞中的溶酶体表现出很好的靶向性并具有较高的Pearson共定位系数（0.935和0.924）。在p H 2-6.6范围内,碳量子点的荧光强度比率(F550/F439)与p H呈现良好的线性关系。细胞溶酶体内的p H在4.4-5.5范围内,本荧光探针的线性范围满足溶酶体p H的检测需求。此外,它还具有灵敏度高、可逆性好和抗环境干扰等特点,可以实现活细胞中溶酶体p H的精确检测。同时,将该荧光传感器成功地用于监控溶酶体碱化剂氯喹、细胞质酸化剂地塞米松和氧化还原物质刺激下人乳腺癌细胞（MCF-7）中溶酶体p H的变化。

关键词： 单核双壳结构   量子点   复合材料   光致发光   稳定性  

摘要： 近年来,半导体量子点材料(Quantum Dot,QD)由于具有良好的光电特性引起人们的广泛关注及研究,使其在显示、照明、生物医学等领域具有广泛的应用前景。但是量子点对外部环境极其敏感,空气中的水氧、光热均可使其性能下降,并限制了它们的实际应用。本论文聚焦于解决量子点在实际应用中的分散性和稳定性问题,制备了基于镉系和钙钛矿量子点的单核双壳结构量子点复合材料。制备得到的量子点复合材料有效地提高了量子点的分散性和稳定性,并保持了其较好的荧光特性。本论文主要研究内容和结果如下: 1、以传统核壳结构量子点作为研究对象,以二氧化硅微球为核心,在二氧化硅微球表面吸附一层核壳结构量子点作为内壳层,再在量子点表面再包覆一层二氧化硅作为外壳层。通过催化剂及反应试剂的优化,制备出单核双壳结构量子点复合材料。对比不同壳层厚度的量子点对复合材料性能的影响,较厚的壳层厚度能够有效抑制二氧化硅包覆过程中量子点表面缺陷对量子点内部激子的捕获,使激子充分辐射复合,从而提升量子点的荧光保留率。 2、用合金结构量子点替换核壳结构量子点,得到合金化单核双壳结构量子点复合材料。对包覆反应时间进行调控,当反应时间达到6 h时得到最佳包覆厚度12±5 nm。合金结构量子点具有较少的晶格失配和晶格应力,使其在包覆过程中量子点表面的缺陷不能捕获量子点内部的激子,抑制了非辐射复合,从而获得高荧光保留率的量子点复合材料。 3、使用配体辅助再沉淀法在室温空气中将钙钛矿量子点生长在二氧化硅微球表面,然后再在钙钛矿量子点表面包覆一层二氧化硅,得到钙钛矿单核双壳结构量子点复合材料。荧光寿命分析显示合成的复合材料的荧光寿命(99.77 ns)明显长于二氧化硅微球表面生长的钙钛矿量子点(55.53 ns)和纯钙钛矿量子点(40.64 ns)。通过稳定性测试,复合材料的稳定性有着明显的提高。 4、将制备好的单核双壳结构量子点复合材料应用到量子点网点导光板中,所制备的导光板色坐标为(0.3031,0.2854),色温为6419 K,接近D65光源的标准。其色域为123.32%NTSC,相比于市场上的LED背光源,色域增加了近50%。通过稳定性测试,所制备的量子点网点导光板具有明显的稳定性提高,包括光、热稳定性,以及对水的抵抗能力等。这说明了单核双壳结构量子点复合材料能够有效提高量子点网点导光板的稳定性。

关键词： 聚乙烯醇   硫量子点   复合材料   Fe3+   检测传感  

摘要： 作为前途广阔的发光材料,量子点材料因为优异的光学性能而受到广泛关注。常见的金属基量子点、碳量子点与钙钛矿型量子点已被广泛应用于光电器件、荧光探针、电池敏化、生物细胞成像等领域。在使用元素硫直接制备荧光硫量子点（SQDs）的方法被发表后,SQDs凭借其独特的组成、良好的光学性能、低毒性、易制备等优点受到了越来越多的关注。在已发表的报道中,SQDs已经在多个方面的应用领域得到了较为广泛的研究。目前,SQDs合成方法有很多,大多数都是利用聚乙二醇（PEG）的端羟基与量子点表面的亲和力来稳定SQDs的,然而PEG配体并不能赋予SQDs颗粒足够的稳定性,所制备的SQDs溶液通常表现出较差的光学稳定性,限制了它们的实际适用性。在这种情况下,本文尝试利用含有大量侧链羟基的聚乙烯醇（PVA）分子稳定SQDs颗粒,和制备光学性能良好的PVA基的荧光复合材料,以充分利用SQDs的荧光性能。主要研究内容如下:（1）以元素硫为硫源,使用聚乙烯醇作稳定剂,制备出表面由PVA分子包裹的SQDs纳米颗粒。所制备的SQDs颗粒具有良好的水分散性和稳定性,荧光明亮,光学稳定性好,细胞毒性低等性质。也验证了SQDs对Fe3+灵敏的选择性荧光猝灭、对温度的响应性,能够用于细胞内的传感检测。此外,PVA表面大量的羟基团也为SQDs提供了较好的改性能力。（2）使用高荧光效率的SQDs与PVA溶液共混成形制备复合薄膜。SQDs在聚合物基体中均匀分散,整体结构稳定,透光性良好。在PVA基体中SQDs颗粒的光稳定性得到极大的增强;而SQDs颗粒的加入也可以提升聚合物的拉伸强度与热稳定性,可以赋予PVA薄膜优异的荧光性能,也使薄膜具有一定的紫外光屏蔽效果,拓展材料的应用。（3）通过静电纺丝将SQDs颗粒与PVA制备尺寸均匀的荧光复合纤维膜。在PVA分子形成的纤维膜中加入戊二醛分子,既能保持纤维丝的形貌光滑完整,纤维膜也因为形成的交联网结构而不会溶解在水相中。在纺丝纤维中加入SQDs颗粒,使复合纤维膜可以具备良好的荧光性能,也能对Fe3+表现出较好的选择性荧光检测性,可以用作便捷的检测试纸。