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摘 要

本论文以制备尺寸均一的功能性碳量子点为导向，利用改进的Barbier反应制备出尺寸相对均一的碳量子点，然后在此基础上制备出碳量子点粉末，并探讨了其在LED和背光源膜中的应用。采用戊二醛为前驱体、三氯化铟为催化剂、1，2-二氯乙烷为引发剂，在Barbier反应的基础上，通过对聚合反应体系中催化剂及引发剂的量的控制，并且改变反应的时间与温度，制备出具有不同发射波长的聚合物碳量子点。制备出的碳量子点具有蓝绿色荧光，量子产率为17%。最后，以碳量子点为光转换材料构筑了白光LED和背光源显示膜。

关键词：碳量子点 Barbier反应 荧光 LED 背光源显示

Chemical Synthesis of Carbon Quantum Dots

ABSTRACT

This thesis focuses on the preparation of carbon quantum dots with uniform size from Barbier reaction, and their applications in white LEDs and display backlight. To this end, I chose glutaraldehyde as precursor, indium trichloride as catalyst, and 1,2-dichloroethane as initiator, to carry out Barbier reaction. Control of the amount of the precursor, catalyst and initiator, and the reaction time and temperature in the synthetic process, could yield various polymer carbon quantum dots with different emission wavelengths. The resultant carbon quantum dots show blue green fluorescence with quantum yield of 17%. Finally, the as-prepared carbon quantum dots were used as color conversion materials for white LEDs and display backlight.

Key words：Carbon Quantum Dots; Barbier Reaction; Fluorescence; LED; Display Backlight

目录

摘要 I

ABSTRACT II

第一章 综述 1

1.1引言 1

1.2碳量子点的研究进展 1

1.3碳量子点的制备方法 1

1.3.1电弧放电法 2

1.3.2激光销蚀法 3

1.3.3电化学法 3

1.3.4化学氧化法 4

1.3.5溶剂热合成法 4

1.3.6微波合成法 5

1.3.7模板法 6

1.3.8其他制备方法 6

1.4碳量子点的性质 6

1.5碳量子点的实际应用 7

1.6本文的设计思路和研究内容 8

第二章 实验部分 9

2.1实验原料 9

2.2实验设备 9

2.3碳量子点的制备 10

2.4碳量子点LED及背光源膜的制备 10

2.5表征手段 10

第三章 结果与讨论 12

3.1碳量子点合成因素讨论 12

3.2碳量子点的光学性能分析 13

3.3碳量子点的成分与形貌分析 14

3.4碳量子点LED及背光源膜的测试 15

第四章 结论与展望 17

4.1总结 17

4.2展望 17

参考文献 18

致谢 22

第一章 综述

1.1引言

不得不说，人类文明的发展与材料有着千丝万缕的关系，材料的性能决定了其产物的上限，最为人耳熟能详的例子就是爱迪生发明电灯泡，在经历了数不清的失败后才找到一种合适的材料，电灯泡才变得明亮且耐用。如今，随着我们科技水平的提高，很多时候一般的材料已经不能满足我们的要求，何况还要符合现在绿色发展的理念，对已有材料的改进以及新材料的研发尤为重要，可以这么说，新型材料的性能与量产能力已经成为衡量一个国家科技水平的重要指标。其中，随着纳米科技的兴起，纳米材料以其特殊的物理和化学性能，成为了材料界最有潜力的一颗新星。虽然纳米科技这个概念才提出不到一个世纪，但是它已经成为了全世界学者们最热门的研究项目之一，它可以说是一门既年轻又成熟的技术^[1-3]。现在，各种纳米材料已经被广泛地用于其他领域。

1.2碳量子点的研究进展

碳量子点（Carbon Quantum Dots）是一种新型的带有荧光性质的纳米碳基材料，它由分散的类球状的碳粒组成，并且碳粒的尺寸极小。在2004年，Xu Xiaoyou等人，利用电弧放电法制备出了单壁碳纳米管，并在利用电泳法纯化产物的时候偶然发现了一种能发出明亮荧光的物质，经研究后发现这些物质就是在制备单壁碳纳米管时被剥离下来的含碳纳米颗粒，后来将这些物质命名为碳量子点^[4]。传统量子点的制备原料大多是铅、镉和硅的混合物，其中含有大量的重金属元素和有毒物质，对环境的危害非常大。而碳量子点则不同，它的主要成分为C元素，其中含有部分H、N和O元素，在制备过程中可以完全不涉及重金属元素，并且其来源非常广泛，甚至能从食物中获取碳量子点^[5-6]。碳量子点与大多数碳基材料相似，不易发生反应，这使得碳量子点能用于很多极端环境。而随着研究的深入，科学家们发现碳量子点的特性还不止这些。其中被研究得最多的就是它的光致发光特性与上转换发光特性，这与绝大多数荧光材料不同，使得它在成像技术、高效催化剂设计、生物科学与能源技术都有良好的发展前景^[7-15]。

1.3碳量子点的制备方法

随着科学家们多年对碳量子点的研究，制备方法也越来越多。以碳源与处理手段的不同，制备方法可分为三类：自上而下合成法、自下而上合成法与其他合成法。自上而下合成法是利用化学或物理手段，将大尺寸碳源分解，从而剥离出碳量子点，电弧放电法、激光销蚀法与电化学法是常见的自上而下合成法；自下而上合成法则是通过氧化、碳化等手段将小分子碳源转换为我们需要的含碳前驱体，经过分离和处理，再得到碳量子点，常见的自下而上合成法有化学氧化法、溶剂热合成法、微波合成法与模板法等。除了这些方法以外，还有一些特殊的方法，例如还原法和等离子法^[5,9-14,16]。

图 1-1 碳量子点制备方法的分类

1.3.1电弧放电法

最早发现的碳量子点就是利用这种方法意外得到的。2004年，在美国南卡罗莱纳大学的Xu等人，利用电弧放电法制备单壁碳纳米管，将产物利用硝酸处理后，在利用凝胶电泳法纯化产物的过程中意外地发现了三种粒径分布的荧光物质，Xu等人对这三种荧光物质进行了研究，并发现在366nm波长光的激发下，这三种荧光物质分别发出了蓝绿色、淡黄色与橙色的荧光^[4]。后来科学家们发现，这种方法制备出的碳量子点虽然荧光性能较好，但是粒径分布不均一，产率低下，并不理想。

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