室温有机溶剂中C荧光特性及荧光发射机制研究

摘要

自从Kratschmer和Huffman通过在氦气中蒸发石墨的方法成功地制备了高纯度的C60，人们对C60奇特的光物理性质进行了广泛地研究，其中研究C60荧光特性对开发富勒烯新型光敏和发光材料具有非常重要的意义。然而高度对称性所导致的电子态跃迁禁戒效应以及单重态至三重态的系间转移效应使得C60的荧光量子产率很低，这给获得高质量的C60荧光带来困难。尽管C60分子的对称性在低温条件下降低，人们可以得到C60薄膜及玻璃态C60有机溶剂体系较高质量的荧光光谱，然而室温C60的荧光通常非常微弱，由此对其在室温下发光特性和发光机制进行研究是非常有必要的。 本论文首先分别对室温二硫化碳、甲苯、乙腈、二甲亚砜、苯、吡啶中C60的荧光发射特性进行了研究。实验发现有机溶剂中C60的荧光发射带一般分布于430nm，570nm或700nm附近，且C60荧光光谱的精细结构与溶剂分子的选择密切相关。分析表明，具备孤对电子或强共轭π键结构的分子可与C60分子发生较强的相互作用，从而使C60分子的对称性降低，荧光辐射率增强。这为在室温条件下构造以富勒烯为基础的新型发光材料提供了依据。 尽管人们将这些荧光的产生笼统地归因于溶剂效应，然而至今还没有充分的理论或实验能够解释C60在室温吡啶中产生如此丰富荧光的原因。本论文将荧光光谱技术与透射电镜(TEM)技术相结合，对室温C60-吡啶体系荧光的产生机制进行了探究。实验发现溶液中不同存在形态的C60构成了三个荧光发射中心，以440nm为中心的荧光带是由溶液中分散的C60纳米颗粒发射的；以575nm为中心的荧光带是由溶液中链状C60纳米颗粒聚集体发射的；而以700nm为中心的荧光带是由溶液中悬浮C60微晶发射的。这就从新的角度对室温溶液中C60的荧光发射机制进行解释了。 此外，本论文还对其他几种典型室温有机溶剂中C60的荧光发射机制进行了研究。实验进一步验证了对C60-吡啶体系荧光发射带的认证。分析表明，溶剂分子与C60分子的特殊相互作用成就了C60在溶剂中的特定存在形式，且纳米尺寸C60材料形貌上的差异可以在荧光光谱中得到明显的体现。这就为有效地识别C60纳米材料的形貌特征以及获得可控的富勒烯发光体系提供了思路。 人们发现掺杂碱金属的C60具有超导性，由此C60阴离子特性研究对研发富勒烯超导材料具有非常重要的意义。本论文通过光谱电化学方法，对还原过程中C60-吡啶体系荧光光谱进行研究，得到了该体系在还原过程中荧光光谱的变化。分析表明，较强的电荷转移相互作用可能在C60-与吡啶之间建立起能量转移通道，导致体系的荧光在还原电位下迅速衰减。近红外表面增强拉曼光谱实验也表明C60在得电子过程中与吡啶的相互作用形式确实发生转变。通过这种方法可以得到一些有关C60阴离子及其与微观环境相互作用的信息。通过进一步将光谱电化学技术与TEM技术相结合，本论文对C60-吡啶体系荧光光谱的精细结构进行了初步研究。实验分析表明440nm区域荧光带中各个荧光峰是由不同粒径的C60纳米颗粒发出的，亦即溶剂效应成就的C60纳米结构决定了C60在溶液中荧光发射的颜色。这不仅提出了一种通过电化学技术制备不同尺寸C60纳米颗粒的新方法，而且为进一步系统研究富勒烯纳米材料荧光发射特性开辟了新的途径。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：论文插图和附表

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绪论

综述部分

第一章富勒烯分子

第二章荧光光谱的基本理论

第三章C60的荧光光谱

第四章谱学电化学

实验部分

第一章室温有机溶剂中C60荧光发射特性的研究

第二章室温吡啶中C60荧光发射机制的研究

第三章几种室温有机溶剂中C60荧光发射机制的研究

第四章还原电位下C60-吡啶体系荧光光谱研究

第五章还原电位下C60纳米颗粒的相变及其荧光发射特性

富勒烯纳米材料荧光特性研究展望

参考文献

附录：攻读硕士期间论文发表情况

致谢