多种晶体结构碳纳米颗粒的制备和光学性质研究

摘要

碳纳米颗粒由于具有独特的物理和化学性质，因而在光电子器件、生物传感器和生物标记等领域具有良好的应用前景。碳的电子构型为1s22s22p2，碳原子具有多样化的电子轨道特性(sp、sp2、sp3)，可以形成多种结构的同素异形体。碳纳米颗粒也存在不同的晶体结构。碳纳米颗粒具有良好的荧光性能，但对其发光机制仍存在争议。由于发光机制决定材料的发光性质，进而决定材料的应用范围，所以研究碳纳米颗粒的发光机制非常有必要。本论文中主要采用化学合成方法制备不同晶体结构的碳纳米颗粒，主要包括石墨结构、金刚石结构和C8结构，并对不同结构碳纳米颗粒的发光机制以及金刚石与C8间的相转换进行研究。
　　以乙酸纤维素为碳源制得大小为1-9 nm的碳纳米颗粒，并利用光致发光谱和光致发光激发光谱对其在水溶液中的发光性质进行研究。实验结果表明，碳纳米颗粒的发射光谱除依赖激发波长外，还和溶液中的颗粒浓度有很大的关系，随浓度降低，发光峰位蓝移，移动量超过100 nm，并且发光强度随浓度降低而逐渐增强。这一变化规律不依赖于溶液的酸碱性。我们构建模型利用光再吸收机制解释了这一现象。
　　以葡萄糖为原料制得金刚石纳米颗粒。这种颗粒表面有大量含氧基团。该纳米颗粒展现出多峰光发射，分别位于390、433、470、527和614nm，几乎覆盖整个可见光波段。它的荧光量子产率为2.5-5％。另外以柠檬酸铵为原料制备出表面有含氮官能团的金刚石纳米颗粒。它含有位于433和447 nm的两个峰位的发光，并且荧光量子产率高达50.4％。利用表面结构和荧光分析，并结合密度泛函理论计算，发现在金刚石纳米颗粒表面存在多种与氧相关的表面缺陷，它们形成各自的缺陷能级，产生了观测到的位于不同可见光波段的荧光峰。与纯氧官能团相比，含氮官能团的最高占据分子轨道和最低不占据分子轨道重叠较多，因而导致产生较大的辐射跃迁几率和较高的量子产率。研究结果表明这些氧缺陷发光普遍存在于各种含碳纳米材料（石墨、金刚石、C8、碳化硅和氮化碳等）中。
　　以乙二胺四乙酸为碳源在碱性条件下合成出具有C8结构的碳纳米颗粒，颗粒尺寸分布较为集中，结晶良好，具有各种不同的形貌。在类似反应条件下在酸性溶液中制得金刚石结构碳纳米颗粒。发现这两种结构间可发生可逆相转换，即在水热条件下，向C8纳米颗粒溶液中加入过量酸，可得到金刚石纳米颗粒;而向金刚石纳米颗粒溶液中加入过量碱，则可得到C8纳米颗粒。我们利用基于表面结构的模型解释了这种相转换现象，发现纳米颗粒表面不同的化学结构有利于不同稳定相的存在。该研究结果有助于理解碳同素异形体间的相转换过程。

目录

声明

摘要

1．1 引言

1．2 几种晶体结构碳纳米颗粒的结构和性质

1．2．1 石墨的结构与性质

1．2．2 金刚石的结构与性质

1．2．3 C8结构碳材料的结构与性质

1．3 纳米材料简介

1．3．1 纳米材料及量子点

1．3．2 纳米材料发光理论

1．4 碳纳米颗粒的制备方法

1．5 碳纳米颗粒常见的表征手段

1．5．1 透射电子显微分析

1．5．2 荧光光谱分析

1．5．3 紫外-可见吸收光谱分析

1．5．4 傅里叶变换红外光谱分析

1．5．5 X射线光电子能谱分析

1．6 本论文的主要研究内容

参考文献

第二章 石墨结构碳纳米颗粒的制备及光的再吸收

2．1 引言

2．2 碳量子点的制备

2．3 结果与讨论

2．3．1 碳量子点的透射显微分析

2．3．2 碳量子点的荧光光谱分析

2．3．3 对碳纳米颗粒光再吸收机制的探讨

2．4 小结

参考文献

第三章 金刚石结构碳纳米颗粒的制备与光学性质研究

3．1 引言

3．2 金刚石纳米颗粒的制备

3．3 结果和讨论

3．3．1 金刚石纳米晶体的结构特征

3．3．2 金刚石纳米晶体的荧光性质

3．3．3 金刚石纳米晶体的表面结构性质

3．3．4 金刚石纳米晶体表面缺陷的理论计算

3．3．5 表面态的能级分布

3．4 小结

参考文献

第四章 C8结构纳米颗粒的合成及其与金刚石纳米颗粒之间的相转换

4．1 引言

4．2 C8碳纳米晶体与金刚石纳米晶体的制备

4．3 结果和讨论

4．3．1 两种结构纳米晶体的荧光特性

4．3．2 金刚石纳米晶体与C8纳米晶体之间的可逆相变

4．4 小结

参考文献

第五章 结论

攻读博士学位期间发表论文

致谢