关键词： 碳量子点   二氧化钛   石墨相氮化碳   复合材料   光催化性能  

摘要： 近年来,纳米材料和技术的发展为高性能光催化复合材料的研究提供了新方向。零维纳米材料碳量子点（CQDs）具有独特的光学性能、优异的水溶性、合成路线简单、绿色环保、化学稳定性好等优点,是开发光催化剂的良好材料。本论文采用溶胶-凝胶法,制备了二氧化钛-碳量子点（TiO2/CQDs）纳米复合材料,并通过模拟光催化降解罗丹明B（Rh B）实验,研究了其制备、性能和应用。在研究金属氧化物半导体TiO2/CQDs光催化体系基础上,以非金属半导体石墨相氮化碳（g-C3N4）为载体负载CQDs,制备环境友好的石墨相氮化碳-碳量子点（g-C3N4/CQDs）复合材料,探索综合性能优异的复合光催化材料。具体研究内容如下:（1）以CQDs和钛酸四丁酯为原料,通过溶胶-凝胶水解法,制得了复合材料TiO2/CQDs。通过TiO2/CQDs光催化降解Rh B实验,分别探究出材料制备过程中煅烧温度为550℃、煅烧时间为120 min、CQDs含量为5%时,TiO2/CQDs具有最佳光催化性能。对制备的TiO2/CQDs复合光催化剂进行表征表明:CQDs主要取代TiO2中Ti形成C-O-Ti化学键,促进TiO2晶体缺陷的形成,提高了对可见光能量利用,拓宽吸收光谱。4次回收循环实验验证了TiO2/CQDs实际应用于光催化的可能性。光催化过程中,活性自由基·O2–和h+具有关键作用。（2）采用高温热解法,制备了石墨相氮化碳（g-C3N4）,将其与CQDs进行水热复合,得到非金属复合材料g-C3N4/CQDs。以Rh B为模拟污染物,研究了g-C3N4/CQDs的可见光催化活性及稳定性。通过负载CQDs,一方面增加g-C3N4的孔隙率,增大催化剂比表面积,提高了对有机污染物的吸附能力;另一方面,使g-C3N4光谱吸收边带发生红移,拓宽了g-C3N4的光响应范围。光催化机理研究表明:空穴（h+）、超氧阴离子自由基（·O2–）、过氧化氢分子（H2O2）和羟基自由基（·OH）都是光催化过程中的主要活性物种,四者氧化作用大小依次为:h+>·O2–>H2O2>·OH。

关键词： 无结硅纳米线晶体管   杂质量子点   电子跃迁   栅极电压  

摘要： 在集成电路特征尺寸持续缩小和低功耗、多功能芯片应用需求暴增的推动下，新型量子电子器件在材料、结构等方面不断得以创新。在超小尺度器件沟道中，杂质原子对器件电学特性的影响也是越来越显著，局域纳米空间中的杂质原子在电离后还能够展现出量子点特性。通过精确定位和控制器件中的杂质原子能够将其作为功能性单元应用，这为实现基于新原理的纳米结构器件提供了思路。无结纳米线晶体管由于相对简单的制备工艺和独特的体输运机制，在研究与杂质量子点相关的输运特性方面展现出很大的优势。本论文以无结纳米线晶体管为研究基础，阐述了电子在离散杂质原子系统中的输运特性，讨论了栅极电压对电子跃迁行为的调控作用。主要研究内容为:　　1.研究了无结硅纳米线晶体管在低温下的电学特性。随着栅极电压增大，漏极电流从振荡的电流峰变为电流台阶，对应于电子通过杂质量子点的输运方式向电子通过一维导带子能带的输运方式发生转变。　　2.研究了电子输运从杂质能级转变到导带中时所对应的临界栅极电压位置。在跨导-栅极电压曲线中，不同的电子输运方式对应于不同的跨导峰，临界栅极电压位置揭示了不同栅极电压下出现跨导峰的原因。　　3.研究了栅极电压对电子跃迁行为的影响。在Arrhenius曲线中，观察到了三个不同的温度区间，对应于不同的电子跃迁输运模式。通过研究电子跃迁转变温度对栅极电压的依赖性，明确了栅极电压对态密度和局域化长度的调制作用。高温下，较大的激活能几乎涵盖了所有可供电子跃迁的邻近能态，栅极电压仅对参与跃迁的电子数目有贡献。随着温度降低，供电子跃迁的能量范围减小，库仑相互作用变得不可忽略，栅极电压对电子跃迁行为的影响增强。　　4.提出了一种新型纳米结构器件，器件沟道中的杂质原子受到更强的量子限制作用，可以在更高温度下观测到与杂质量子点相关的输运特性。这个设计是在无结硅纳米线晶体管的基础上进行优化改进，制备工艺简单。

关键词： 稀土离子   量子剪裁   近红外发光   碳量子点  

摘要： 目前,光伏发电飞速发展并逐渐替代传统化石燃料能源。太阳能电池通过光伏效应将光能转化为电能,然而硅太阳能电池禁带宽度的限制导致光谱失配现象,从而造成太阳能电池的光电转换率较低。利用量子剪裁（又称下转换）材料对光谱进行修饰成为目前研究的热点。经过量子剪裁修饰后的太阳能光谱能够提高太阳能电池的光电转换效率。同时,量子点因其良好的物理以及化学性能而受到广泛关注。其中,碳量子点由于成本低廉、无毒无害和稳定的化学性能,在生物成像、光催化及显示照明等领域有着较为广泛的应用前景。本文旨在研究通过下转换对光谱进行调控从而提高太阳能电池的转换效率,同时研究了通过调控溶剂来实现碳量子点光学性能的调节。本文的主要研究内容与结果如下:第一部分研究了Pr3+、Yb3+共掺杂的YPO4量子剪裁样品的发光性能,并讨论了Pr3+、Yb3+离子间可能存在的能量传递机理。通过观测实验结果,我们发现在Pr3+单掺杂YPO4中观察到3P0到3HJ（J=4、5、6）、3FJ（J=2、3、4）和1D2→3HJ（J=4、5）以及1G4→3H4的发射。中间能级1D2的填充是由3P0的多声子辅助下的非辐射跃迁和交叉弛豫引起的。随着Yb3+浓度的增加,1D2和1G4能级的发射强度和寿命均降低,而3P0能级的发射强度和寿命并无明显变化。这表明了3P0能级不参与从Pr3+到Yb3+的能量传递,而1D2和1G4能级在Pr3+到Yb3+离子的能量传递过程中起着重要作用。第二部分研究了Pr3+、Yb3+共掺杂的La BWO6样品的发光性能,并讨论了Pr3+、Yb3+间可能存在的能量传递机理。我们采用高温固相法成功合成了La BWO6:1%Pr3+、x%Yb3+（x=0、1、2、3）粉末样品,在448 nm激发下,Pr3+离子在可见光区域的有较强发射,最强发射峰位于544 nm来自于Pr3+离子的3P0→3H5,在近红外区有着Yb3+的2F5/2→2F7/2发射。可以得到随着Yb3+浓度增加,Pr3+的3P0能级的寿命随之降低,这也证明了Pr3+到Yb3+离子之间确实存在着能量传递。第三部分研究了碳量子点的合成及发光性能的调控。我们采用柠檬酸作为碳源,尿素作为氮源,并分别用三级水和N,N-二甲基甲酰胺作为溶剂在相同的温度下合成了蓝光和绿光的碳量子点。碳量子点的荧光光谱覆盖了从440 nm到550 nm的可见光谱。通过对碳量子点的结构和光学性能的表征,我们发现随着碳量子点表面状态的改变,其荧光发射波长出现了红移。

关键词： 石墨相氮化碳   纳米管   氧化铈   量子点   可见光光催化  

摘要： 半导体光催化技术在光解水制氢制氧、污染物消除和二氧化碳还原等领域具有广泛的应用前景,是解决当前全球能源短缺和环境污染问题的理想途径之一。作为一种不含金属组分的聚合物半导体光催化剂,石墨相氮化碳（CN）因其成本低廉、合成方法简便、结构稳定、无毒及带隙可调控等优点引起了研究者的极大关注。然而,由于聚合物材料的特性,CN光催化剂的光生电子-空穴复合严重,这极大制约了CN的光催化应用。在本论文中,为了提高CN光催化剂的载流子分离效率,我们原位合成了氧化铈（CeO2）量子点（QDs）锚定的一维CN纳米管材料,并探究了这种零维（0D）/一维（1D）异质结光解水产氢活性和光催化活性增强机制。本论文的主要研究结果如下:（1）首先通过超分子聚集体热缩聚法成功地制备了1D的硫掺杂氮化碳纳米管（SCN NTs）;然后采用原位沉积沉淀法将CeO2 QDs担载到1D的SCN纳米管上,形成了Ⅱ型CeO2/SCN异质结。催化剂的结构和形貌表征结果表明,2-3 nm的CeO2 QDs均匀地分布在SCN NTs的内部或外部,提供了高度分散的活性位点并使两个半导体之间的界面接触最大化。XPS结果表明,这种高分散的结构促进了Ce4+向Ce3+的转化,有利于高活性的Ce3+生成,同时在CeO2/SCN异质结中形成了丰富的氧空位。（2）我们对CeO2/SCN材料进行了可见光照射下的光催化分解水制氢性能评价。结果表明,氧化铈量子点在SCN纳米管内外的均匀分散有利于光生电荷分离效率和光催化活性的提高。其中,CeO2含量为10 wt%的CeO2/SCN光催化剂表现出最佳的光催化活性,产氢速率高达2923.8μmol h-1 g-1,远远高于纯SCN、纯CeO2和相应的物理混合物。光催化机理研究表明,表面缺陷结构、大的比表面积和匹配的能带结构对CeO2 QDs/SCN NTs的高活性起着重要的作用。此外,时间分辨荧光光谱和光电化学实验表明,零维CeO2量子点和一维SCN纳米管之间的紧密接触可以加速载流子的分离和转移,有效地抑制光生电子-空穴对的复合,从而表现出优异的光催化分解水产氢活性和稳定性。

关键词： Ti O2   CQDs   光催化降解   光催化产氢   亚甲基蓝  

摘要： 半导体光催化被认为是解决环境污染和能源危机的有效方法之一。二氧化钛（Ti O2）具有高抗氧化性、低成本、低环保性和光化学稳定性等优点,在生态保护领域起到重要的作用。然而,Ti O2禁带宽度较大及光生电子-空穴对复合速率较快,使其无法有效利用可见光,使Ti O2的光催化活性及应用受到限制。本文通过在锐钛矿型Ti O2纳米颗粒表面复合碳量子点（CQDs）,拓宽其在可见光波段的吸收,抑制光电生子-空穴对的复合,提高Ti O2的光催化性能。采用水热法,设置不同的实验温度,制备出了表面带有含氧基团、水溶性良好的蓝色荧光CQDs。采用X射线衍射、紫外可见光谱、荧光光谱和拉曼光谱等手段对CQDs溶液进行了表征。结果表明,CQDs主要晶相为无序石墨,表面带有含氧基团,在可见光范围内有较强的吸收,表现出依赖于激发波长的光致发光行为。采用水热法和焙烧法制备了Ti O2/CQDs复合催化剂材料,命名为0.1+x-y。通过光催化降解亚甲基蓝（MB）和光催化分解水制氢评估了Ti O2/CQDs的光催化性能。通过光电反应及不同表征手段的测试,分析光催化反应机理。结果表明,CQDs与Ti O2之间通过Ti-O连接,扩大催化剂在可见光波段的吸收范围,抑制光电生子-空穴对的复合,提高了半导体催化剂的光催化活性。纯锐钛矿型Ti O2的降解率为81.54%,当Ti O2中加入10 m L 140°C的CQDs时,在紫外光下对MB的降解率为97.64%;纯Ti O2在可见光照射下无产氢,当Ti O2中加入10 m L 180°C的CQDs时,产氢速率为208.7μmol·h-1·g-1,使用焙烧法对复合材料的制备改进后,产氢速率进一步提升至412.4μmol·h-1·g-1。

关键词： CdSe量子点   二氧化硅凝胶   掺杂   荧光性能  

摘要： 荧光量子点是三维量子限域的纳米材料,基于其本身的量子尺寸特性表现出荧光效率高、吸收光谱窄、尺寸依赖的发光可调性等优点,在光学器件、荧光标记和太阳能电池等领域具有良好的应用前景。同时,因其极小的尺寸导致巨大的界面积,极高的界面能以及大量表面悬挂键的存在,使得量子点极易团聚,且由于缺陷捕获陷阱的存在大大削弱了其发光性能。传统的量子点合成方法中常通过加入配体实现量子点的分散,以及表面钝化,在一定程度上减少表面缺陷。但是在面对苛刻应用条件,如光电领域中高温、高强度光辐射等环境时,单靠配体包覆不足以维持量子点的稳定性。将量子点分散在二氧化硅凝胶中,不仅能有效固定量子点,且二氧化硅凝胶良好的机械性能和耐热性可以有效保护量子点在高温条件下的稳定性和发光效率。但是,量子点在凝胶中能否均匀分散和如何保证复合凝胶材料不开裂,是制备量子点掺杂二氧化硅复合凝胶亟待解决的关键问题。针对以三问题,本文探究了 CdSe量子点掺杂的二氧化硅复合凝胶的制备方法。通过对油溶性量子点的修饰改性和直接水相合成两种途径制备了水溶性CdSe量子点,以实现CdSe量子点在二氧化硅凝胶前体溶液中均匀分散。将经表面钝化和功能化的CdSe量子点引入二氧化硅凝胶中,通过调整溶胶-凝胶法制备二氧化硅凝胶的工艺,实现量子点表面与二氧化硅凝胶网络的化学键合,制备了CdSe量子点掺杂的二氧化硅复合凝胶材料,采用X射线粉末衍射仪、荧光光谱仪及热重分析仪等测试仪器表征了复合材料的性能,发现复合凝胶中不仅原有CdSe量子点的荧光效率得到了保持,而且同时融合了二氧化硅凝胶良好的机械性能,量子点的结构和性能稳定性有效提高,实现了量子点在长时间激光照辐射下的发光稳定性。本论文的研究内容主要分为以下三个方面:(1)水相CdSe量子点的合成和修饰。采用水相合成法制备CdSe量子点,选用半胱氨酸(Cys)、巯基丙酸(MPA)和巯基乙酸(TGA)三种不同的配体作为封端剂。通过对配体、前驱体浓度和温度的探索,发现当TGA作为封端剂,回流温度80℃,回流4h时,形成的CdSe量子点性质最优;(2)油溶性量子点修饰改性。研究发现吡啶配体N原子可与量子点表面有效配位,故而选为中间配体,分两步配体交换将油酸配体的量子点转换成亲水性配位的水溶性量子点,经紫外灯照射和红外光谱证实了量子点均匀分散在表面活性剂水溶液中,吡啶则分布在二氯甲烷中。(3)CdSe量子点掺杂的二氧化硅复合凝胶的合成与表征。首先通过溶胶-凝胶法制备光学透明和机械性能良好的二氧化硅凝胶。采用正硅酸四乙酯为前驱体,APTES为碱性水解试剂,利用先酸后碱的两步催化工艺,在干燥过程中加入助剂探究避免凝胶开裂的条件,最终确定了溶胶成分比例、水解试剂、干燥助剂等实验条件,得到性能优异的二氧化硅凝胶。然后将经钝化和功能化的CdSe量子点引入前驱体系,合成了荧光性能稳定的CdSe量子点掺杂的二氧化硅复合凝胶。研究结果表明,在长时间激光照射下,与原有CdSe量子点溶液对比,该复合材料可有效保护量子点的长期稳定性。综上所述,通过溶胶-凝胶法制备的CdSe量子点掺杂的二氧化硅复合凝胶兼顾量子点的荧光性能与凝胶的优良机械性能,有助于提升量子点在苛刻条件下的发光稳定性。论文的实验研究结果将对量子点掺杂复合凝胶材料的研究提供一定的理论依据和技术支持。

关键词： 碳量子点   掺杂   Fe3+检测   BSA   细胞成像   光催化降解  

摘要： 碳量子点纳米材料具有合成路线简单且成本低廉、较好的生物相容性、水溶性和荧光性质等优势,因此已经被广泛应用在传感器、光催化和生物成像等领域。氮元素掺杂是目前提高碳量子点量子产率最有效的策略之一。本文对氮掺杂、氮,硫共掺杂以及硅,氮共掺杂碳量子点的制备、形貌结构以及应用进行了探究,主要结果如下:（1）以柠檬酸（CA）、四乙烯五胺（TEPA）为原料,采用水热法合成制备氮掺杂碳量子点（N-CQDs）,通过X射线衍射、傅里叶变换红外光谱仪和荧光分光光度计等对N-CQDs进行表征。结果显示,N-CQDs具有良好的水溶性和光稳定性。将N-CQDs应用于Fe的检测,该荧光传感器体现出较高的灵敏度和金属离子选择特异性,对Fe的可检测范围为0-540μmol·L,检测限为6.377μmol·L。说明N-CQDs可应用于环境水样加标检测,是一种有应用潜力的Fe检测工具。此外,利用光谱法研究N-CQDs与牛血清白蛋白（BSA）的相互作用机理。认为N-CQDs能有效猝灭BSA内源性荧光,属于动静结合猝灭机制。N-CQDs的加入导致色氨酸残基微环境的疏水性增强,继而引起BSA的构象产生变化。结合热力学参数进行分析,N-CQDs与BSA结合的作用力类型主要是静电引力,反应是自发过程。（2）以柠檬酸（CA）和硫代氨基脲（TSC）为原料制备得到的氮,硫共掺杂碳量子点（N-S-CQDs）。N-S-CQDs可作为荧光传感器检测铁离子(Fe)和He La细胞成像。N-S-CQDs具有高量子产率（激发波长为360 nm:34%）。在Fe检测方面,N-S-CQDs检测限4.039μmol·L,检测范围0-1780μmol·L,相比于其他14种阳离子,对Fe有较高的选择性,对自来水和湖水中Fe浓度的测定准确度高。在生物成像方面,低毒性的N-S-CQDs被成功地加载到细胞中,并在细胞质中发出蓝色荧光。此外,所制备的N-S-CQDs具有良好的水分散性和光学稳定性,具有较好的应用前景。（3）使用柠檬酸（CA）和（3-氨丙基）三甲氧基硅烷（APTES）,制备得到硅,氮共掺杂碳量子点（Si-N-CQDs）。所得Si-N-CQDs具有良好的球形形貌,平均尺寸约为2.54 nm,在水中具有良好的溶解性,量子产率为14.3%。在Fe存在下,Si-N-CQDs的荧光被选择性地猝灭。在此基础上,开发出一个非常敏感的传感器,能够探测Fe,检测范围0-400μmol·L,检测限3.14μmol·L。当用于自来水和湖水中Fe的检测时,回收率分别为102.3-108.0%,103.5-108.5%。用亚甲基蓝（MB）有机染料对Si-N-CQDs的光催化活性进行了研究,Si-N-CQDs存在时,在60 min内MB在可见光照射下的降解速率提高2.7倍,光催化降解效率提高了88.5%。认为这主要归结于Si-N-CQDs对光的高效吸收,以及良好电子转移和光生载流电子的分离。

关键词： 室温磷光材料   聚乙烯醇   碳量子点   制备工艺   光学稳定性  

摘要： 室温磷光(RTP)材料可以在外源激发光照射下储存部分能量，关闭外源激发光后，能以可见光的形式释放出来，使其在高级防伪、生物成像、化学传感等领域具有潜在的发展前景。但传统的RTP材料主要集中于重金属有机材料或纯有机材料。碳量子点(CQDs)作为新型荧光纳米材料，具有优异的光学性能、生物相容性、低毒性、抗光漂白性等特点。本文以制备基于碳量子点(CQDs)的室温磷光材料为主旨，研究其发光性质及相关领域的实际应用，论文主要研究内容如下:　　(1)以葡萄糖为碳源，通过水热炭化法制备得到外源氮掺杂碳量子点(NCQDs)溶液，与基质聚乙烯醇(PVA)混合均匀后，得到具有RTP效应的NCQDs/PVA复合材料。在紫外光照射下，NCQDs溶液发射蓝色荧光;而NCQDs/PVA薄膜，在紫外光照射下，发射蓝色荧光，关闭紫外光后，具有肉眼可见的蓝绿色磷光。其中，NCQDs溶液的FTIR图谱表明，其表面含有C=N/C=O官能团，易与基质PVA表面的羟基基团之间形成氢键，通过氢键作用抑制NCQDs表面官能团的非辐射弛豫过程，进而得到长余辉的RTP材料。制备得到的RTP材料，一方面可作为光学墨水，成功应用于高级防伪领域;另一方面，具有超长寿命的（416和442ms）NCQDs/PVA薄膜、气凝胶材料，在离子检测、气体传感等领域发挥了潜在的应用价值。　　(2)以天然产物五味子提取得到的多糖为碳源，通过水热法制备得到CQDs溶液，进而与PVA基质通过涂覆法制备得到寿命长达271.2ms的CQDs/PVA复合薄膜材料。其中，五味子通过水提醇沉的方法制备得到的多糖，具有天然多糖的含氮分子结构，无需外源引入其他含氮化合物，即通过原位绿色合成得到基于CQDs的RTP材料。CQDs/PVA复合薄膜材料具有较小的能级差(0.32eV)，利于ISC过程的发生，进而促进了RTP效应的产生;FTIR和XPS光谱表明:CQDs表面含有大量的C=O/C=N官能团，与PVA基质复合后，通过氢键作用，抑制CQDs表面官能团的旋转、振动，进而有利于自旋耦合作用的发生、并稳定三重激发态，最终获得RTP效应。　　(3)五味子多糖制备得到的CQDs溶液在350nm激发光照射下，发射蓝色荧光，表现出优异的光学稳定性、pH值(pH=3-12)及离子稳定性，金属铁离子(Fe3+)可将其荧光猝灭。CQDs/PVA复合薄膜在紫外光照射下发射蓝色荧光，关闭紫外灯后发射绿色室温磷光;在Fe3+存在的条件下，复合薄膜的荧光和室温磷光同时猝灭，当Fe3+浓度为0.1-2mM范围内，其最低检测限为0.57μM，且Fe3+对CQDs/PVA复合薄膜荧光和磷光的猝灭均可用肉眼直接观察到。制备得到的CQDs/PVA复合薄膜放置在空气中半年后，其光学强度和光学寿命几乎不变，表现出较强的光学稳定性，使其在实际可视化铁离子检测中具有较大的应用潜力。

关键词： 超导量子比特   拓扑材料   量子模拟   拓扑不变量  

摘要： 随着近几年的快速发展,基于超导量子电路的超导量子计算已经成为最有前景的实现量子计算机的方案。构成超导量子电路的元件主要包括电容、电感和约瑟夫森结,这些电路元件的组合可以用来建造具有特定能级结构的超导人工原子,即超导量子比特。本文主要介绍了超导量子处理器的物理实现和测控方法,以及超导量子处理器的一个重要应用,即量子模拟,基本内容包括:1、在绪论部分介绍了关于量子计算的基本概念,主要为量子比特、量子逻辑门、退相干理论和量子测量。2、在第二章中介绍了超导量子处理器的电路模型,我们首先以谐振电路为例阐述了介观电路量子化的一般性方法以及介观电路表现出量子力学行为的条件;接下来我们通过引入非线性电感元件,即约瑟夫森结,实现了具有非均匀能级结构的量子电路,并且通过二能级近似,将最低的两个能级编码为量子比特;最后依次介绍量子比特的调控、读取和耦合,在这基础上,我们可以设计出超导量子处理器,即超导量子芯片。3、第三章主要介绍超导量子芯片的测控平台,我们主要从单光子量级入射功率的实现和读取、测控线路热噪声和量子噪声的抑制、驱动信号的调制和读取信号的解调,以及微波源、直流源等设备的信号同步和延迟这四个方面说明了搭建测控平台的基本思路。4、第四章主要介绍了单比特的标定,我们分别利用频域测量和时域测量标定了量子比特的基本参数,包括读取谐振腔的共振频率、品质因子、色散位移以及量子比特的频率、驱动脉冲长度等,通过对上述参数的精确校准,我们得到了高保真度的单比特门。5、第五章则是介绍超导量子比特在模拟拓扑材料方面的应用,通过在超导量子比特的驱动微波参数空间与拓扑材料的准动量空间,即第一布里渊区之间建立映射,我们成功的模拟出某些迄今为止尚未在实验室合成的拓扑材料,并在此基础上研究其拓扑保护、拓扑相变等性质。

关键词： 气体传感器   敏感材料   氧化锌   碳量子点   掺杂改性   紫外激发  

摘要： 随着工业科技发展,人们的生活质量得到了极大的提高,但同时由于人们对工业高度发达的负面影响预料不够,预防不利,导致的环境污染严重威胁到人类的生产生活安全。人民生产生活的急需和国家政策的导向一同促进了气体传感器成为了当前的重要科学研究方向。设计和制备性能优异的气体敏感材料对于构建高性能气体传感器具有重大意义。决定气体传感器性能的重要因素就是敏感材料的设计与研发,以及对敏感材料性能的改善。随着材料科学的发展,敏感材料的制备方法与敏感材料性能的改善策略不断被研究。在敏感材料选择上,金属氧化物半导体气体传感器以成本低廉、操作简便、低功耗以及灵敏度高等优点受到了科研工作者们广泛的关注。本文主要围绕以氧化锌（ZnO）为代表的金属氧化物半导体材料和碳量子点材料（CQDs）在气敏方向的应用与性能优化进行了研究。通过调控金属氧化物材料的微观形貌制备性能优异的ZnO敏感材料和通过掺杂具有优秀物理化学性质的CQDs材料制备ZnO/CQDs复合材料,以达到高性能敏感材料的设计与研发的目的。并通过制备多种掺杂碳量子点的金属氧化物复合材料,研究碳量子点掺杂对复合材料在室温紫外激发下增敏的研究,尝试解决目前金属氧化物敏感材料工作温度过高的不足。本论文的主要研究内容概括如下:1.构建了一种具有优异的H2S气体敏感性的ZnO传感器。首先通过一步水热法制备了生菜状ZnO气敏材料,并对材料进行了X射线衍射（XRD）和扫描电子显微镜（SEM）表征,并确定了生菜状ZnO的组成、结构、晶体学信息和形貌。对ZnO的生菜状形貌形成方式进行了讨论,并对制备方法进行了条件优化实验。通过实验室自制的气敏测试系统对生菜状的ZnO的气敏性能进行了测试。生菜状的ZnO在较低的工作温度下表现出高的H2S响应,同时具有出色的H2S选择性和快速的响应恢复。生菜状ZnO敏感材料具有独特的生菜状微球形貌,大的比表面积从而使材料具有出色的H2S吸附效率,这也是传感器具有快速的响应恢复时间的原因之一。与其他同类工作相比,生菜状ZnO传感器具有响应速度快和灵敏度高的优点。此外,还对生菜状ZnO的敏感机理进行了研究。2.构建了用于NO检测的氧化锌/碳量子点（ZnO/CQDs）复合传感器。首先通过水热法合成了具有花状结构的ZnO,然后通过共混合机械研磨的方法引入了碳量子点,这种掺杂方法避免了CQDs的表面官能团在高温反应中被破坏。并对材料进行了X射线衍射（XRD）,扫描电子显微镜（SEM）,透射电子显微镜（TEM）和热重分析（TGA）,紫外可见吸收光谱（UV-VIS）等表征,确定了ZnO/CQDs材料的形貌,晶体结构和组成。同时我们也对复合材料的气体敏感特性进行了详细研究。ZnO/CQDs复合敏感材料具有出色的NO灵敏响应和选择性,快速的响应恢复速度,并且与未掺杂CQDs的ZnO相比,ZnO/CQDs复合材料对NO气体的灵敏度响应特性得到了极大的改善。此外,还讨论了ZnO/CQDs复合材料的敏感机理。3.构建了两种氧化锌/碳量子点（ZnO/CQDs-1,ZnO/CQDs-2）复合敏感材料,二氧化锡/碳量子点（Sn O2/CQDs）复合敏感材料以及氧化镍-氧化锌/碳量子点（Ni O-ZnO/CQDs）复合敏感材料,并分别将几种掺杂碳量子点的复合敏感材料制备成传感器器件。对这几种复合材料进行了X射线衍射（XRD）,扫描电子显微镜（SEM）,透射电子显微镜（TEM）,紫外可见吸收光谱（UV-VIS）等表征,确定复合材料的形貌,晶体结构和组成。我们通过实验室搭建的暗室-紫外激发气敏测试系统对掺杂碳量子点的复合材料的气体敏感特性进行了详细研究。我们也对碳量子点掺杂的金属氧化物复合材料在紫外激发下的室温增敏机理进行了研究。综上所述,深入理解碳量子点及金属氧化物/碳量子点复合材料的性质与敏感特性之间的关联,调控材料微观形貌制备ZnO敏感材料,引入碳量子点掺杂制备ZnO/CQDs复合材料以及研究不同的掺杂碳量子点的金属氧化物复合材料的气敏性能,实现了敏感材料的可控制备。研究与讨论气体传感的敏感机理,可以实现有目的性的提高敏感材料气敏性能。本文在对氧化锌为代表的金属氧化物半导体材料及碳量子点材料在气敏方向的研究,具有较强的实际应用价值,并且对改善敏感材料性能,为材料进行增敏研究提供了新的方法与研究思路。