【摘要】：碳基納米材料作為碳家族新成員,引起了人們廣泛的研究興趣。它們具有較強的熒光性質,被廣泛應用于生物熒光成像、發(fā)光二極管和激光器等領域。碳基納米材料的熒光具有激發(fā)波長依賴和p H響應等特征。盡管人們通過各種技術手段研究碳基納米材料的熒光性質,但其真正的發(fā)光機制還存在較大的分歧。依據不同種類的碳基納米材料,可以總結影響其熒光發(fā)射的原因主要有以下幾種:量子限域效應、sp2區(qū)域、表面態(tài)、邊緣態(tài)、分子態(tài)、交聯(lián)加強發(fā)射作用和巨大紅邊效應等。本論文以超快時間分辨光譜技術為探測手段,仔細研究了碳基納米材料的載流子動力學過程變化和熒光機制。首先,利用飛秒激光器自行搭建了瞬態(tài)吸收光譜探測系統(tǒng),并在此裝置的基礎上,拓展出兩套探測系統(tǒng):超連續(xù)瞬態(tài)反射系統(tǒng)和超連續(xù)瞬態(tài)吸收反射系統(tǒng)。還自行搭建了一套時間分辨光克爾熒光光譜探測系統(tǒng),它可以探測450-700nm的全譜熒光,系統(tǒng)的最小響應時間為500fs。其次,開發(fā)了時間分辨信號的數據處理方法,采用矩陣重組和變量投影最小二乘法的方法擬合動力學衰減曲線。通過對比分析發(fā)現(xiàn),這兩種不同的算法能夠得到全局最優(yōu)解,且變量投影最小二乘法的計算方式所耗用時間縮短了將近10倍。對于瞬態(tài)吸收光譜數據的分析開發(fā)幾種不同的處理和分析方法,如:組分個數的判斷,確定初始非線性參量和二維相關光譜等。通過瞬態(tài)吸收光譜研究不同酸堿環(huán)境下的碳量子點,發(fā)現(xiàn)其表面態(tài)主要是由碳基骨架邊緣碳原子與含氧官能團(環(huán)氧基、羰基和羧基)組成。通過全局擬合分析發(fā)現(xiàn)碳量子點在不同的pH水溶液環(huán)境中經歷了四個弛豫通道:電子-電子的散射和表面態(tài)的捕獲;光學聲子散射;聲學聲子散射;電子-空穴再復合。在堿性環(huán)境下,羧基的去質子化作用改變了碳基骨架與表面態(tài)之間π電子云的分布,導致其在1 ps時間內較易被表面態(tài)捕獲。通過時間分辨光克爾熒光的探測方法研究了碳量子點在強酸性、中性和強堿性水溶液環(huán)境下的熒光光譜的動力學變化和其相應的發(fā)光機制。在強酸性、中性和強堿性環(huán)境中的溶劑化平均動力學壽命分別為:11.9 ps、7.39 ps和2.6 ps。溶劑化動力學過程引起碳量子點熒光光譜的峰值移動。在強酸性的環(huán)境下,羧基所形成表面態(tài)的躍遷偶極矩較大需要較長的溶劑化時間。隨羧基官能團的進一步電離,在強堿性的條件下碳量子點的躍遷偶極矩相應減小,從而導致溶劑化時間降低。全局擬合分析發(fā)現(xiàn),碳量子點存在三個熒光組分。在強堿性的水溶液環(huán)境下,碳量子點羧基官能團的去質子化作用加速了第一個壽命過程內載流子向不發(fā)光表面態(tài)的遷移。合成了具有雙光子熒光性質的近紅外碳點,其最優(yōu)發(fā)光位置在710nm,熒光量子產率為26.28%。通過飛秒瞬態(tài)吸收實驗探測近紅外碳點的載流子動力學變化過程和相應的發(fā)光機制,實驗結果表明碳點中碳核和表面態(tài)協(xié)同決定其熒光發(fā)射。通過相應的表征分析手段說明羧基碳和石墨氮在近紅外碳點的紅光發(fā)射中起著決定性的作用。通過雙光子熒光實驗證明了近紅外碳點的雙光子熒光性質,并且通過構建相應的分子模型計算其雙光子吸收截面,分析雙光子熒光的來源。
[Abstract]:Carbon based nanomaterials, as new members of the carbon family, have aroused wide interest in research. They have strong fluorescence properties and are widely used in the fields of bioluminescence imaging, light-emitting diodes and lasers. The fluorescence of carbon based nanomaterials has the characteristics of excitation wavelength dependence and P H response. Although people have passed various technical means The fluorescence properties of carbon based nanomaterials are studied, but there are still great differences in their real luminescence mechanisms. According to different kinds of carbon based nanomaterials, the main reasons that affect the fluorescence emission of carbon based nanomaterials are as follows: quantum confinement effect, SP2 region, surface state, edge state, molecular state, crosslinking enhanced emission and huge red edge effect. In this paper, we studied the carrier dynamics process and fluorescence mechanism of carbon based nanomaterials with ultrafast time resolved spectroscopy. First, a transient absorption spectrum detection system was built by femtosecond laser, and on the basis of this device, two sets of detection systems were expanded: supercontinuous transient reflection. The system and the supercontinuous transient absorption reflection system have also built a set of time resolved light Kerr fluorescence detection system. It can detect the full spectral fluorescence of 450-700nm. The minimum response time of the system is next to 500fs.. The data processing method of time resolved signal is developed, and the square method of matrix recombination and the variable projection least square method are used. It is found that the two different algorithms can get the global optimal solution by comparison and analysis, and the time-consuming time of the calculation method of the variable projection least square method is nearly 10 times shorter. The initial nonlinear parameters and two-dimensional correlation spectra are determined. The carbon quantum dots in different acid and alkali environments are studied by transient absorption spectra. It is found that the surface state is mainly composed of carbon based skeleton edges carbon atoms and oxygen containing functional groups (epoxy, carbonyl and carboxyl groups). Through global fitting analysis, the carbon quantum dots are found in different pH aqueous solutions. There are four relaxation channels: electron electron scattering and surface state capture; optical phonon scattering; acoustic phonon scattering; electron hole recombination. In alkaline environment, the deprotonation of carboxyl changes the distribution of the pion cloud between the carbon matrix and the surface state, resulting in its easier capture in the surface state within 1 ps time. The time resolved optical Kerr fluorescence detection method studied the kinetic changes of the fluorescence spectra of carbon quantum dots in strong acidic, neutral and strong alkaline aqueous solutions and their corresponding luminescence mechanisms. The mean kinetic lifetime of the solvent in strong acidic, neutral and strong alkaline environments was divided into 11.9 PS, 7.39 PS and 2.6 PS. solvent kinetics. The process causes the peak shift of the fluorescence spectra of carbon quantum dots. In the strong acidic environment, the transition dipole moment of the surface state of the carboxyl group needs a longer solvation time. With the further ionization of the carboxyl functional groups, the transition dipole moment of the carbon quantum dots should be reduced under the strong alkaline condition, which leads to the reduction of the time of the solvent. It is found that there are three fluorescent components in the carbon quantum dots. In the strong alkaline water environment, the deprotonation of carboxyl functional groups of the carbon quantum dots accelerates the migration of the carrier to the non luminous surface state in the first life process. The near infrared carbon point with two photon fluorescence properties is synthesized, and the optimal luminescence position is at 710nm, The fluorescence quantum yield is 26.28%. through the femtosecond transient absorption experiment to detect the change process of the carrier dynamics and the corresponding luminescence mechanism of the near infrared carbon point. The experimental results show that the carbon nucleus and the surface state determine the fluorescence emission in synergy. The red light of the carboxyl carbon and graphite nitrogen in the near infrared carbon point is explained by the corresponding characterization analysis. The two-photon fluorescence properties of the near infrared carbon point are proved by the two-photon fluorescence experiment, and the two photon absorption cross section is calculated by constructing the corresponding molecular model, and the source of the two-photon fluorescence is analyzed.
【學位授予單位】：吉林大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：TB383.1

【相似文獻】

相關期刊論文 前10條

1 ;納米材料[J];新型建筑材料;2000年09期

2 杜仕國,施冬梅,鄧輝;納米材料的特異效應及其應用[J];自然雜志;2000年02期

3 ;納米材料 新世紀的黃金材料[J];城市技術監(jiān)督;2000年10期

4 ;什么是納米材料[J];中國粉體技術;2000年05期

5 鄒超賢;納米材料的制備及其應用[J];廣西化纖通訊;2000年01期

6 吳祖其;納米材料[J];光源與照明;2000年03期

7 ;納米材料的特性與應用方向[J];河北陶瓷;2000年04期

8 沈青;納米材料的性能[J];江蘇陶瓷;2000年01期

9 李良訓;納米材料的特性及應用[J];金山油化纖;2000年01期

10 劉冰,任蘭亭;21世紀材料發(fā)展的方向—納米材料[J];青島大學學報(自然科學版);2000年03期

相關會議論文 前10條

1 王少強;邱化玉;;納米材料在造紙領域中的應用[A];'2006（第十三屆）全國造紙化學品開發(fā)應用技術研討會論文集[C];2006年

2 宋云揚;余濤;李艷軍;;納米材料的毒理學安全性研究進展[A];2010中國環(huán)境科學學會學術年會論文集(第四卷)[C];2010年

3 ;全國第二屆納米材料和技術應用會議[A];納米材料和技術應用進展——全國第二屆納米材料和技術應用會議論文集（上卷）[C];2001年

4 鐘家湘;葛雄章;劉景春;;納米材料改造傳統(tǒng)產業(yè)的實踐與建議[A];納米材料和技術應用進展——全國第二屆納米材料和技術應用會議論文集（上卷）[C];2001年

5 高善民;孫樹聲;;納米材料的應用及科研開發(fā)[A];納米材料和技術應用進展——全國第二屆納米材料和技術應用會議論文集（上卷）[C];2001年

6 ;全國第二屆納米材料和技術應用會議[A];納米材料和技術應用進展——全國第二屆納米材料和技術應用會議論文集（下卷）[C];2001年

7 金一和;孫鵬;張穎花;;納米材料的潛在性危害問題[A];中國毒理學通訊[C];2001年

8 張一方;呂毓松;任德華;陳永康;;納米材料的二種制備方法及其特征[A];第四屆中國功能材料及其應用學術會議論文集[C];2001年

9 古宏晨;;納米材料產業(yè)化重大問題及共性問題[A];納米材料和技術應用進展——全國第三屆納米材料和技術應用會議論文集（上卷）[C];2003年

10 馬玉寶;任憲福;;納米科技與納米材料[A];納米材料和技術應用進展——全國第三屆納米材料和技術應用會議論文集（上卷）[C];2003年

相關重要報紙文章 前10條

1 記者 周建人;我國出臺首批納米材料國家標準[N];中國建材報;2005年

2 記者 王陽;上海形成納米材料測試服務體系[N];上�？萍紙�;2004年

3 ;納米材料七項標準出臺[N];世界金屬導報;2005年

4 通訊員 韋承金邋記者 馮國梧;納米材料也可污染環(huán)境[N];科技日報;2008年

5 廖聯(lián)明;納米材料 利弊皆因個頭小[N];健康報;2009年

6 盧水平;院士建議開展納米材料毒性研究[N];中國化工報;2009年

7 郭良宏 中國科學院生態(tài)環(huán)境研究中心研究員 江桂斌 中國科學院院士;納米材料的環(huán)境應用與毒性效應[N];中國社會科學報;2010年

8 記者 任雪梅　莫璇;中科院納米材料產業(yè)園落戶佛山[N];佛山日報;2011年

9 實習生 高敏;納米材料：小身材涵蓋多領域[N];科技日報;2014年

10 本報記者 李軍;納米材料加速傳統(tǒng)行業(yè)升級[N];中國化工報;2013年

相關博士學位論文 前10條

1 楊楊;功能化稀土納米材料的合成及其生物成像應用[D];復旦大學;2014年

2 王艷麗;基于氧化鈦和氧化錫納米材料的制備及其在能量存儲中的應用[D];復旦大學;2014年

3 吳勇權;含銪稀土納米材料的功能化及其生物成像應用研究[D];復旦大學;2014年

4 曹仕秀;二硫化鎢(WS_2)納米材料的水熱合成與光吸收性能研究[D];重慶大學;2015年

5 廖蕾;基于功能納米材料的電化學催化研究[D];復旦大學;2014年

6 胥明;一維氧化物、硫化物納米材料的制備，，功能化與應用[D];復旦大學;2014年

7 李淑煥;納米材料親疏水性的實驗測定與計算預測[D];山東大學;2015年

8 范艷斌;亞細胞水平靶向的納米材料的設計、制備與應用[D];復旦大學;2014年

9 丁泓銘;納米粒子與細胞相互作用的理論模擬研究[D];南京大學;2015年

10 駱凱;基于金和石墨烯納米材料的生物分子化學發(fā)光新方法及其應用[D];西北大學;2015年

相關碩士學位論文 前10條

1 向蕓頡;卟啉納米材料的制備及其應用研究[D];重慶大學;2010年

2 劉武;層狀納米材料/聚合物復合改性瀝青的制備與性能[D];華南理工大學;2015年

3 劉小芳;基于納米材料/聚合膜材料構建的電化學傳感器應用于生物小分子多組分的檢測[D];西南大學;2015年

4 王小萍;基于金納米材料構建的電化學傳感器及其應用[D];上海師范大學;2015年

5 郭建華;金納米材料的修飾及其納米生物界面的研究[D];河北大學;2015年

6 魏杰;普魯士藍納米粒子的光熱毒性研究[D];上海師范大學;2015年

7 張華艷;改性TiO_2納米材料的制備及其光電性能研究[D];河北大學;2015年

8 胡雪連;基于納米材料的新型熒光傳感體系的構筑[D];江南大學;2015年

9 黃樊;氧化鈷基催化材料形貌、晶面控制與催化性能研究[D];昆明理工大學;2015年

10 周佳林;新型核殼結構金納米材料用于腫瘤的近紅外光熱治療研究[D];浙江大學;2015年

本文編號：2152631