可聚合碳点及其共聚玻璃体系的光学性能研究

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荧光材料在照明与显示、生物成像与传感、激光增益与防护等多方面有着中重要的应用价值。其中,碳点作为一种新型的碳纳米材料,由于其优异的光致发光特性、水溶性好、低毒性、耐光漂白等优点,受到了研究者们的广泛关注。通常,为了充分发挥碳点的应用价值,会把碳点物理掺杂到固体玻璃基质中,从而可以在固态器件中得到应用。由于热运动、相容性等原因,物理掺杂通常会出现纳米颗粒得的团聚堆积、主体与客体之间的宏观相分离、掺杂浓度低等不足。化学共聚可以实现主体与客体之间的共价键连接,从而实现纳米粒子在固体玻璃基质中的高浓度掺杂和分子水平均匀掺杂。本论文基于碳点易表面功能化的优势,在所制备的氨基碳点的基础上,通过化学修饰得到了两种可聚合碳点(双键功能化碳点和硅烷功能化碳点),并且实现了可聚合碳点与固体玻璃基质之间的化学共聚,从而达到了碳点高浓度均匀掺杂固体玻璃基质的目的。具体来讲,本论文的主要研究内容分为以下三部分:  (1)碳点的精确可控连续可调荧光及其在白光LED中的应用:采用一步溶剂热法制备了表面富含氨基的碳点,并研究了其溶剂化显色效应。研究发现,当把碳点分散到不同极性的溶剂中后,出现了明显的溶剂化显色现象,通过荧光光谱的测试,发现碳点溶液的荧光随着溶剂的极性增加会发生线性红移,从而可以根据溶剂的极性,实现碳点荧光的精确可控。同时,当把不同极性的溶剂混合后,可以实现对碳点的荧光发射从绿光到红光范围的连续调控。不仅溶液如此,当把碳点掺杂到不同的固体基质中后,同样实现了荧光的可调可控。接下来,利用不同的碳点-固体基质杂化材料作为多色发光层,结合市场化的蓝光LEDs芯片,制备了白光LEDs中,实现了二基色和三基色白光LEDs的白光发射,并能够满足照明的使用要求。  (2)碳点的双键功能化及其共聚玻璃体系的荧光性能:当把所得的氨基碳点物理掺杂到固体基质后,发现碳点在固体基质中出现了团聚堆积和宏观相分离的状态。故而,开展了碳点的双键功能化修饰的研究。首先,通过氨基与环氧基的反应,使用甲基丙烯酸缩水甘油酯对氨基碳点进行功能化修饰,成功制备了双键功能化的可聚合碳点。研究发现,双键功能化前后,碳点的光学性能并不会发生明显改变。进一步,通过双键之间的加成反应,实现了碳点与甲基丙烯酸甲酯之间的共聚,从而达到了不同碳点浓度在聚甲基丙烯酸甲酯中均匀分散的目的。同时,对其光学性能进行了研究。  (3)碳点的硅烷功能化及其共聚玻璃体系的荧光性能:在研究碳点的双键功能化时,发现双键功能化后的碳点在固体基质中掺杂浓度提高时透过率会急剧下降,而且不能实现高浓度的掺杂共聚。故而,继续开展了碳点的硅烷功能化修饰的研究。首先,通过氨基与环氧基的反应,使用γ-(2,3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷对氨基碳点进行功能化修饰,成功制备了硅烷功能化的可聚合碳点。同样,硅烷功能化对碳点的光学性能不会产生影响。进一步,通过硅烷碳点和硅烷分子之间的水解缩合反应,实现了碳点与硅烷基质之间的共聚,从而达到了不同碳点浓度在硅烷凝胶玻璃中均匀分散的目的,从而可以对碳点任意浓度共聚固体体系的荧光性能和三阶非线性光学性能实现调控。
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