碳量子點（Carbon dots,以下簡稱碳點或CDs）作為一種新型的碳納米材料,由于尺寸小而具有了量子效應(yīng),其獨特的結(jié)構(gòu)和性能,使之成為了目前納米尺度下最受人關(guān)注的材料之一。區(qū)別于半導(dǎo)體量子點,碳點因其碳基結(jié)構(gòu)而具有更好的生物相容性,更符合綠色化學(xué)的需求和發(fā)展。此外,碳點還因原料豐富易得、制備方法簡便多樣、熒光性能優(yōu)異、化學(xué)穩(wěn)定性強等優(yōu)點,在生物醫(yī)藥、傳感檢測、光學(xué)器件等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。本文采用一步溶劑熱法分別制備得到Zn元素摻雜的全光譜熒光碳點（Zn-CDs）和N元素摻雜的全光譜熒光碳點（N-CDs）,對兩種異質(zhì)原子摻雜碳點的合成方法、熒光性能、形貌和結(jié)構(gòu)進行了探索和分析,利用模擬分析的技術(shù)方法對其熒光顏色變化機理進行了深入研究,并且利用其熒光發(fā)射帶較寬的優(yōu)勢,制備了白色發(fā)光二極管,并對其基本性能進行了檢測。主要內(nèi)容如下:（1）以相同的前驅(qū)體—對苯二胺和ZnCl₂,通過只控制Zn源的摻雜量,在相同的反應(yīng)條件下,合成了一系列紅色、紫紅色、紫藍色、藍色熒光碳點,其中紅色碳點的熒光量子產(chǎn)率達5.96%。制備的碳點尺寸均勻,形貌相近,因而排除了尺寸效應(yīng)對于熒光發(fā)射... 

【文章來源】：中國石油大學(xué)(北京)北京市 211工程院校 教育部直屬院校

【文章頁數(shù)】：81 頁

【學(xué)位級別】：碩士

【部分圖文】：

截至2016年的非金屬元素摻雜碳點主要研究進展[5]

中國石油大學(xué)（北京）碩士學(xué)位論文-6-的碳點，研究者認為CDs的PL發(fā)射歸因于CDs表面的電子捕獲-空穴狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。因此，Zn原子的摻雜使碳點有了更多的表面位點，從而相對于未摻雜碳點的藍色熒光，摻雜后引起了熒光波長的紅移成為黃色。此外，如圖1.1所示，研究人員也提出，對于摻雜了Zn的碳點中，除了HOMO和LUMO+1能級外，還引入了一種中間態(tài)能級，短波長熒光吸收產(chǎn)生的激發(fā)電子（HOMO到LUMO）釋放到HOMO+1和HOMO+2水平，通過復(fù)合激發(fā)獲得了激發(fā)不依賴的寬發(fā)射帶[43]。圖1.2未摻雜/摻雜Zn2+的CDs的能級與電子躍遷示意圖[43]Fig.1.2SchematicillustrationofproposedenergylevelsandelectrontransitionsgraphicofundopedCDs(left)andZn2+-dopedCDs(right)在之前的大量研究中，科研人員也已經(jīng)成功利用水熱法獲得了水溶性良好的Fe-Cu-CDs、Mn-CDs，Co-CDs等金屬元素摻雜碳點[42,44]。其中Xu等人制備的Mn-CDs的QY高達54.4%，具有明亮的藍色熒光，對于重金屬Hg2+具有極高的敏感度，可進行在100-1000nm范圍內(nèi)的痕量檢測，最終可實現(xiàn)自然水體中Hg2+的檢測且表現(xiàn)出優(yōu)異的重現(xiàn)性。此外，通過模擬計算發(fā)現(xiàn)，提供了酸性環(huán)境的前驅(qū)體——檸檬酸對于Mn-CDs的合成過程有著不可忽視的影響。檸檬酸電離會釋放質(zhì)子（H+），占據(jù)CDs的HOMO軌道，從而提高了CDs的QY[40]。1.3.2非金屬元素摻雜非金屬元素摻雜包括B、N、S、P、Si等，通�？梢允悄撤N元素的單獨摻雜，也可以是兩種或多種元素共同摻雜。由于N與C原子的原子序數(shù)相近，所以是最

中國石油大學(xué)（北京）碩士學(xué)位論文-7-為常見的摻雜原子之一[45]。Zhu等人在2013年通過檸檬酸和乙二胺制得了QY達80%的具有藍色熒光的N摻雜碳點，研究者認為正是因為引入了含N元素的基團，才使N-CDs碳點的QY達到80%[15]。而Xu等則利用S元素對CDs進行摻雜，得到了QY達67%的S-CDs。此外，Xu等還制備了高熒光量子產(chǎn)率的S,N雙摻雜碳點和N,P雙摻雜碳點，這兩種碳點分別在兩種摻雜原子的協(xié)同作用下，改變了能帶結(jié)構(gòu)，促進電荷轉(zhuǎn)移并且提高電荷復(fù)合，從而改善了碳點的熒光性能。并且都利用碳點與重金屬離子結(jié)合時熒光的“on-off”特異性淬滅，成功應(yīng)用作為重金屬離子的痕量檢測探針[46,47]。Miao等人用鄰苯二胺和多巴胺制備了紅色的S,N雙摻雜碳點，其明亮的紅色熒光可用于腫瘤球中人肝癌細胞的熒光成像，以及與阿霉素（Dox）結(jié)合進行小鼠體內(nèi)皮下腫瘤的光熱治療（圖1.3），作者認為S,N雙元素摻雜為碳點引入了多種基團，其中sp2碳、噻吩和吡咯單元之間的共軛是使碳點的發(fā)光波長大幅紅移的關(guān)鍵因素[48]。圖1.3具有紅色熒光的S,N-CDs與阿霉素協(xié)同進行小鼠體內(nèi)皮下腫瘤光熱治療[48]Fig1.3RedemissiveS,N-codopedcarbondotsandapplicationintheraonosticsofvivomice1.4碳量子點的合成方法碳點的原料多種多樣，非常豐富。制備碳點的前驅(qū)體可包括煤炭、瀝青、無定形碳、石墨、碳納米管、炭黑、碳纖維、石墨烯及各種小分子含碳有機物等。合成方法大致分為兩類：自上而下（Top-down）和自下而上（Bottom-up）[49]。自上而下，顧名思義是指將宏觀尺寸大小的原材料碎片化，使其達到納米級別。具體一般


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