以PMMA为基底的PbSe量子点光纤材料制备及研究

论文摘要

量子点是一种准零维半导体纳米晶体,在光纤通信领域,直径为(4~7nm)的PbSe量子点在传统的光通信波段(1.2~1.8μm)处有明显的吸收和发射谱。相比于现在广泛应用于通信领域的掺铒光纤放大器,量子点光纤放大器具有:宽波带、高增益、低噪声等众多优点,因此它将更适用于宽波带的波分复用通信。但量子点表面能过高,使得它极易团聚,而团聚将极大的影响量子点的发光特性。将PbSe量子点掺杂到构成塑料光纤的主要材料聚甲基丙烯酸甲酯(Polymethyl Methacrylate,PMMA)中,制备出PbSe/PMMA量子点光纤材料(纳米复合材料)。一方面,可以利用PMMA大分子聚合物分子链之间的排斥作用,有效防止PbSe量子点的团聚;另一方面PMMA材料为塑料光纤的主要成分,具有很高的可加工性,为今后使用PbSe/PMMA纳米复合材料构成量子点塑料光纤放大器奠定了基础。本文分别通过激光脉冲烧蚀法、水相共混法、油相原位聚合法制备出了PbSe/PMMA纳米复合材料。采用X射线衍射(XRD)、透射电镜(TEM)、扫描电镜(SEM)对PbSe/PMMA纳米复合材料进行了表征,并用紫外可见近红外分光光度仪和荧光光谱仪分析了PbSe/PMMA纳米复合材料的吸收谱和荧光发射谱。结果表明:(1)利用激光脉冲烧蚀法制备PbSe/PMMA纳米复合材料时,当激光能量密度增加到2.8 J/cm2时,开始有量子点生成,量子点尺寸约为13nm,生成的量子点尺寸随入射激光能量密度的提高而呈减小的趋势。当激光能量密度增加到4.3J/cm2时,量子点尺寸减小到6nm。(2)利用水相共混法制备的PbSe/PMMA纳米复合材料中的PbSe量子点平均粒径为5 nm,其团聚效应要明显弱于纯水相PbSe量子点。该复合材料在室温下经过120天搁置之后,无团聚现象发生。(3)利用油相原位聚合法制备出的PbSe/PMMA纳米复合材料中PbSe量子点平均尺寸随PbO与Se反应温度的增加而增加,在1064nm激励光照射下,观测到PbSe/PMMA纳米复合材料有强荧光辐射,其辐射峰的半高全宽为100~300nm,峰值波长1431nm ~2365nm。峰值波长与量子点尺寸密切相关,且辐射与吸收波长峰值存在15~72nm的斯托克斯频移。最后本文对制备PbSe量子点掺杂PMMA光纤的工艺进行了初步的探索,提出了如提拉法和模板法等多种可行方案,并分析了这些方法的优劣,为今后制备高性能的量子点掺杂光纤提供了一定的指导和借鉴作用。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 量子点
• 1.1.1 量子点概述
• 1.1.2 量子点的性质
• 1.1.3 量子点的光学性能
• 1.1.4 量子点的应用
• 1.2 量子点光纤放大器
• 1.2.1 光纤放大器
• 1.2.2 量子点光纤放大器（QDFA）的提出
• 1.2.3 量子点光纤放大器（QDFA）的工作原理
• 1.3 量子点光学材料
• 1.3.1 玻璃基量子点光学材料
• 1.3.2 PMMA 基量子点光学材料
• 1.4 本论文的选题与思路
• 第二章 聚合物基纳米复合材料的研究
• 2.1 纳米复合材料的定义和分类
• 2.2 聚合物基纳米复合材料体系及其优点
• 2.3 聚合物基纳米复合材料的制备方法
• 2.3.1 溶胶凝胶法
• 2.3.2 层间插入法
• 2.3.3 共混法
• 2.3.4 原位聚合法
• 2.3.5 分子的自组装及组装
• 2.3.6 辐射合成法
• 2.4 聚合物基纳米复合材料的性能与特点
• 2.4.1 聚合物基纳米复合材料的基本性能
• 2.4.2 聚合物基纳米复合材料的特性
• 2.4.3 聚合物基纳米复合材料的功能性
• 2.4.4 聚合物基纳米复合材料的热力学稳定性
• 第三章 脉冲激光烧蚀法制备PbSe/PMMA 纳米复合材料
• 3.1 引言
• 3.2 实验材料及仪器
• 3.2.1 KrF 准分子激光器
• 3.3 PbSe/PMMA 纳米复合材料的制备
• 3.4 测试及表征手段
• 3.4.1 X 射线衍射仪（XRD）
• 3.4.2 高分辨透射电镜（TEM）
• 3.5 实验结果
• 3.5.1 XRD 表征
• 3.5.2 TEM 表征
• 3.6 分析与讨论
• 3.6.1 脉冲激光能量密度对于PbSe 量子点尺寸的影响
• 3.6.2 PbSe 量子点尺寸对荧光发射谱的影响
• 3.7 本章结论
• 第四章 水相共混法制备PbSe/PMMA 纳米复合材料
• 4.1 引言
• 4.2 实验材料及仪器
• 4.3 PbSe/PMMA 纳米复合材料的制备
• 4.3.1 水相PbSe 纳米晶体的制备
• 4.3.2 PbSe/PMMA 纳米复合材料的制备
• 4.4 测试及表征手段
• 4.4.1 扫描电子显微镜（SEM）
• 4.5 实验结果
• 4.5.1 XRD 表征
• 4.5.2 TEM 表征
• 4.5.3 SEM 分析
• 4.6 分析与讨论
• 4.7 本章结论
• 第五章 油相原位聚合法制备PbSe/PMMA 纳米复合材料
• 5.1 引言
• 5.2 实验
• 5.2.1 实验材料及仪器
• 5.2.2 PbSe 量子点的制备
• 5.2.3 PbSe/PMMA 量子点光纤材料制备
• 5.3 测试及表征手段
• 5.3.1 紫外可见近红外分光光度仪
• 5.3.2 荧光光谱仪
• 5.4 结果与分析
• 5.4.1 TEM 分析
• 5.4.2 近红外吸收谱分析
• 5.4.3 荧光发射谱分析
• 5.4.4 PbO 与Se 反应温度与量子点尺寸的关系
• 5.5 本章结论
• 第六章 PbSe/PMMA 纳米复合材料拉制光纤探索
• 6.1 塑料光纤
• 6.1.1 塑料光纤种类
• 6.1.2 传统塑料光纤的制造方法
• 6.1.3 塑料光纤的发展
• 6.2 PMMA 材料
• 6.3 PbSe 量子点掺杂的PMMA 光纤制备
• 6.3.1 提拉法
• 6.3.2 模板法
• 6.3.3 压差法
• 第七章 总结与展望
• 7.1 全文总结
• 7.2 研究展望
• 参考文献
• 致谢
• 硕士期间发表论文及发明专利