ZnO量子点的可见发光机制及巯基类有机物修饰研究

论文摘要

ZnO量子点无毒无害，生物安全，比表面积大，表面活性中心多，电子迁移率高，发光范围可调，环境友好，价格低廉，是一种很好的潜在的生物标记材料，但是目前ZnO量子点发光机理还不明确，其分散性、尺寸均一性、水溶性和发光性能还有待改善，这些问题制约了ZnO量子点在生物标记方面的应用。所以本实验致力于研究溶胶-凝胶法合成的ZnO量子点可见光发光机理，以及用巯基类有机物修饰，改善其分散性、尺寸均一性、水溶性和发光性能。本实验采用溶胶-凝胶法分别合成了蓝光ZnO量子点和绿光ZnO量子点，并研究其蓝光和绿光发射来源。通过分别改变Li+和OH-的浓度，发现蓝光发射强度随着Li+和OH-浓度的增加而增强，发光寿命约186ns，经过理论计算和严密的推理，提出ZnO蓝光发射机制为：电子首先被激发到导带，然后与被LiZn稳定的Oi缺陷中的空穴复合，从而发射出2.79eV的蓝光。对于绿光发射来源，我们将绿光样品在氧气中熟化12h，绿光猝熄，说明与绿光发射相关的缺陷对O2很敏感，提出绿光发射可能是VO缺陷能级上的电子与价带中的空穴复合产生的。本实验选用亲水性的巯基类有机物对巯基苯甲酸（4-MBA）、邻巯基苯甲酸（2-MBA）、巯基乙酸（MPA）和巯基乙醇（ME）修饰ZnO量子点。对巯基苯甲酸修饰后，样品分散性和均匀性改善，ZnO量子点的缺陷发光减弱，而出现发光强度是未修饰前3倍的紫外发光，能量为3.43eV，寿命是1.21ns，把其归结为ZnO量子点局域态的电子与价带中的空穴复合发光。邻巯基苯甲酸修饰后，也改善了样品的分散性和均匀性，出现了介于邻巯基苯甲酸和ZnO量子点的能量为2.96eV的新发光峰位，可能为界面态发光。巯基乙酸或巯基乙醇修饰后，ZnO量子点被刻蚀，发光慢慢猝熄，猝熄原因可能是修饰剂钝化了辐射复合中心。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 ZnO 量子点简述
• 1.3 ZnO 量子点的合成
• 1.3.1 溶胶-凝胶法
• 1.3.2 激光烧蚀法
• 1.4 ZnO 发光机制
• 1.4.1 ZnO 紫外发光机制
• 1.4.2 ZnO 可见发光机制
• 1.5 有机物修饰 ZnO 及发光机制
• 1.5.1 有机物修饰 ZnO
• 1.5.2 有机物修饰发光机制
• 1.6 ZnO 量子点应用前景
• 1.6.1 ZnO 量子点应用于染料敏化太阳能电池
• 1.6.2 ZnO 量子点应用于生物荧光标记
• 1.7 ZnO 量子点研究存在的问题
• 1.8 本课题研究的思路及意义
• 第二章 实验原料与实验装置
• 2.1 实验原料
• 2.2 实验设备
• 2.2.1 超声波清洗器
• 2.2.2 离心机
• 2.2.3 电子分析天平
• 2.2.4 三用紫外灯
• 2.3 测试设备与表征
• 2.3.1 透射电镜分析
• 2.3.2 X 射线衍射仪（XRD）
• 2.3.3 光致发光分光光度计（PL）
• 2.3.4 紫外-可见分光光度计（UV-vis）
• 2.3.5 瞬态/稳态荧光分光光度计（FL）
• 第三章 ZnO 量子点可见发光机理
• 3.1 ZnO 量子点的制备
• 3.2 ZnO 量子点形貌和发光性能
• 3.2.1 蓝光和绿光量子点形貌尺寸
• 3.2.2 蓝光和绿光量子点吸收和发光性能
• 3.2.3 加热后的蓝光 ZnO 量子点形貌和发光性能
• 3.2.4 蓝光和绿光 ZnO 量子点瞬态光谱
• 3.3 蓝光 ZnO 量子点蓝光发射来源
• 3.3.1 中间体对蓝光发射影响
• 3.3.2 不同碱金属氢氧化物对蓝光发射影响
• +浓度对蓝光发射影响'>3.3.3 Li⁺浓度对蓝光发射影响
• 3.3.4 OH-浓度对蓝光发射影响
• 3.3.5 不同发射波长的瞬态光谱
• 3.3.6 提出蓝光发射机制
• 3.4 绿光 ZnO 量子点绿光发射来源
• 3.4.1 绿光 ZnO 量子点绿光发射相关缺陷的稳定性
• 3.4.2 绿光 ZnO 量子点对氧气的敏感性
• 3.4.3 提出绿光发射机制
• 3.5 本章小结
• 第四章 巯基类有机物修饰 ZnO 量子点
• 4.1 对巯基苯甲酸修饰 ZnO 量子点
• 4.1.1 对巯基苯甲酸修饰 ZnO 量子点形貌
• 4.1.2 对巯基苯甲酸修饰 ZnO 量子点发光性能
• 4.1.3 对巯基苯甲酸修饰 ZnO 量子点荧光寿命分析
• 4.1.4 对巯基苯甲酸修饰 ZnO 量子点的发光机制
• 4.2 邻巯基苯甲酸修饰 ZnO 量子点
• 4.2.1 邻巯基苯甲酸修饰 ZnO 量子点后形貌
• 4.2.2 邻巯基苯甲酸修饰 ZnO 量子点发光性能
• 4.2.3 邻巯基苯甲酸修饰 ZnO 量子点的发光机制
• 4.3 巯基乙酸修饰 ZnO 量子点
• 4.3.1 巯基乙酸修饰 ZnO 量子点后形貌
• 4.3.2 巯基乙酸修饰 ZnO 量子点发光性能
• 4.4 巯基乙醇修饰 ZnO 量子点
• 4.4.1 巯基乙醇修饰 ZnO 量子点后形貌
• 4.4.2 巯基乙醇修饰 ZnO 量子点发光性能
• 4.5 巯基乙酸或巯基乙醇修饰 ZnO 量子点发光机制
• 4.6 本章小结
• 第五章 结论
• 参考文献
• 发表论文和参加科研情况说明
• 致谢