碳点和氧化锌量子点的制备及其光电器件的应用

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能源环境问题与人们生活息息相关,直接决定着人们生活水平和生活幸福感,因此能源环保问题是当今社会所面临的一大课题。量子点发光材料因具有优异的荧光性能、光学稳定性、表面活性高、低毒性等特点成为新一代发光材料。量子点发光材料种类丰富多样,其中碳量子点(CDs)和氧化锌量子点(ZnO QDs)因荧光性能优异,发光可调节,高量子产率,低毒性,环境友好型,良好的生物包容性及易合成等优点备受关注,广泛应用于光电器件、光催化、光伏器件及生物医学等领域。尽管对于CDs的研究工作已经开展了很多,但是制备CDs的前驱体太过繁杂,所制备出的CDs荧光性质优劣不一,且溶解性常成为CDs间相互作用的障碍。因此对于使用同一碳源调节多色发光CDs(M-CDs)的研究势在必行。本文使用邻苯二胺(OPD)作为同一前驱体,调节出M-CDs。同时本文利用Eu3+掺杂ZnO QDs获得荧光双发射的优异光学性质,将其应用到太阳能荧光聚光器上;并将蓝光碳点(B-CDs)和ZnO QDs进行复合,开展复合材料在白色发光二极管(WLED)上的应用研究。本论文主要研究内容概括如下:(1)以邻苯二胺作为同一碳源,溶剂热反应制备M-CDs。使用乙醇作为反应溶剂制备出黄光碳点(Y-CDs),荧光发射峰为557 nm;改变反应溶剂为N,N-二甲基甲酰胺(DMF)制备出绿光碳点(G-CDs),荧光发射峰位于519 nm。在Y-CDs方案的基础上加入L-抗坏血酸,阻断邻苯二胺的自聚合过程制备出B-CDs。在G-CDs的制备过程中引入S元素制备出红光碳点(R-CDs)。制备的M-CDs粒径分布均一,且随着粒径尺寸的变小,荧光发射出现蓝移。对制备的M-CDs进行透射电子显微分析、X射线衍射分析、傅里叶红外光谱分析等表征测试分析,研究其荧光性质发现,M-CDs均在紫外区有较强吸收,在可见光区域发射荧光。这种光致发光特性有利于充分利用太阳光。(2)在纯ZnO QDs制备最佳反应条件的基础上,调节Eu(NO3)3·6H2O的用量,对纯ZnO QDs进行Eu3+掺杂。当掺杂0.15 g Eu(NO3)3·6H2O时,Eu3+掺杂ZnO QDs的荧光性质达到最佳,且具有551 nm和614 nm的双发射荧光。利用双发射Eu3+掺杂ZnO QDs分散在聚乙烯吡咯烷酮(PVP)中,制备太阳能荧光聚光器。当Eu3+掺杂ZnO QDs的质量浓度为13.2 wt%时,th的值达到最大为4.37%。相比其他量子点太阳能荧光聚光器,Eu3+掺杂ZnO QDs太阳能荧光聚光器光学效率较高,制备简单,原料易合成,低毒性,环境友好,更具应用前景。(3)利用3-氨丙基三乙氧基硅烷(APTES)对纯ZnO QDs进行表面改性,在其表面形成一层二氧化硅层,使其具有良好的水溶性。利用改性后ZnO QDs表面正电性和B-CDs表面负电性间的静电结合力,形成相互交错紧密结合的类链状结构。然后加入PVP作为体系的稳定剂,同时干燥后可以形成B-CDs/ZnO QDs荧光粉。将B-CDs/ZnO QDs荧光粉和环氧树脂封装在365 nm紫外芯片上,制备出WLED,CIE坐标为(0.30,0.34),色温为7093 K。制备的WLED光学性能优异,环保节能,为量子点复合体系在LED上的应用奠定基础。
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