论文总字数：22913字

摘 要

量子点作为一种新型的荧光纳米材料，具有吸收范围广、发光带窄、光稳定性高等优点，且可以通过控制其尺寸及组成可获得发光颜色覆盖整个可见光波段的各种单色光，因此量子点常被用于LED和太阳能电池领域。II-VI族与III-V族量子点因为制备方法、稳定性、毒性等缺点一直未被广泛应用。对于碳纳米粒子，由于其具有很大的表面积，所以长期以来科学家们一直认为这种纳米粒子相比宏观碳，具有非常奇特的化学和物理性质。碳量子点同样具有优异的光学、电学性能，这些优点体现在，如制备原材料简单易获取，发光亮度高，光学吸收率高，具有化学稳定性、生物相容性和低的生物毒性等。本文结合参考文献，在实验的条件的控制下，用冷凝柠檬酸和乙二胺由水热法制备，在该反应中先生成类聚合物碳点，然后碳化形成了碳点，从而得出制备一种高亮的碳量子点方案，并通过控制其合成条件，调控碳量子点的发光范围、形貌等。从实际应用方面而言，碳量子点可用于LED、生物荧光标记、打印油墨、光电设备等领域。

关键词: 量子点，碳点，光致发光，生物荧光标记，LED

Abstract

As a kind of new luminescence materials, Quantum dots(QDs) has several advantages, such as wide range of absorption, narrow luminescence ribbon , strong light stability and so on. QDs also can be gained monochromatic lights which cover the whole spectrum of monochromatic light by controlling the size and composition. Therefore, QDs are applied in the field of LED and solar cells. QDs made by II-VI groups and III-V groups have not been widely used due to their weakness in preparation, stability and toxicity defect. As for carbon nanoparticles, scientists have agreed that it have very unusual chemical and physical properties compared to macro carbon due to large surface area. Carbon quantum dots also has excellent optical and electrical properties, its advantages in performance, such as easy preparation of raw materials, higher brightness, optical absorption rate is high, the chemical stability, biocompatibility and low toxicity. In this paper, based on references, the reaction was conducted by first condensing citric acid and ethylene diamine using hydrothermal method under the control of the conditions of the experiment, whereupon they formed polymer-like carbon dots, which were then carbonized to form the carbon dots. As for the practical application, carbon quantum dots can be used for the LED, biological fluorescent tags, printing ink, optoelectronic devices, and other fields.

KEY WORDS: quantum dots, carbon dots, photoluminescence, bioimaging fluorescence labeling, LED

目 录

摘 要 I

第一章 绪 论 1

1.1 引言 1

1.2 碳纳米材料 1

1.3 量子点的性质 1

1.3.1 量子尺寸效应 1

1.3.2 表面效应 3

1.4 量子点的制备方法 4

1.4.1 有机金属法 4

1.4.2 水相合成法 5

1.4.3 碳量子点 7

1.5 碳量子点的特性 7

1.5.1 光学特性 7

1.5.2 低细胞毒性 8

1.6 碳量子点的应用 8

1.6.1 生物成像 8

1.6.2 生化分析检测 9

1.7 本文研究的主要内容与创新性 9

第二章 碳量子点的制备 10

2.1 实验试剂与实验仪器 10

2.2 测试仪器 10

2.3 实验内容 10

2.3.1两种不同原料的试剂配方 10

2.3.2 碳量子点的制备过程 11

2.4 实验结果与分析 12

2.4.1 吸收光谱和分析 12

2.4.2 荧光光谱和分析 13

2.5 实验原理 15

2.6本章小结 16

第三章 探究不同条件对碳量子点的荧光特性的影响 17

3.1实验试剂及实验仪器 17

3.2 测试仪器 17

3.3 pH值、温度和浓度条件的选择 17

3.4实验步骤 18

3.4.1探究反应温度对碳量子点荧光特性的影响 18

3.4.2 探究pH值对荧光特性的影响 18

3.4.3探究离子浓度对荧光特性的影响 18

3.5实验结果与分析 19

3.6本章小结 21

第四章 总结与展望 23

致 谢 24

参考文献（References） 25

第一章 绪 论

1.1 引言

碳元素是地球上含量最多的元素之一，是一种广泛存在的基础元素，也是生命体的基本组成元素。正常来说，由于碳元素对生命体的毒性十分小，而且它的相对分子质量也较小，碳元素材料一直是化学、物理和材料学研究中的重点领域。随着零维度的富勒烯、一维的碳纳米管、二维的石墨烯的产生，进一步激发了科学界对碳元素材料研究的热情。

1.2 碳纳米材料

纳米材料是一种颗粒状的人工或天然材料，颗粒尺寸的范围为1nm~100nm，而且在此范围的颗粒数量占此种材料颗粒总体数目的50%以上。人们利用纳米技术在材料科学与工程上开辟了新的领域，通过创造新的纳米材料实现光学、电学、能量转化存储等方面的应用需要。纳米碳点、纳米碳管、纳米碳纤维等新型碳纳米材料具有很多优秀的物理、化学特性，被广泛运用于各领域^[1]。

一般情况下，碳纳米材料是根据它所受限制的空间维度来进行分类的，分为零维、一维、二维和三维等四种情况。零维碳纳米材料包括金刚石团簇、富勒烯、碳纳米颗粒等。一维碳纳米材料包括纳米碳管、金刚石纳米棒等。二维碳纳米材料包括石墨烯、金刚石纳米片等。三维碳纳米材料包括纳米金刚石晶体，富勒体等^[2]。另外，对于一些结构比较复杂的碳纳米材料还可以根据纳米结构的特征尺寸和不同形状及空间组合排列的笼状碳结构单元来进行分类^[3]。

1.3 量子点的性质

量子点于20世纪80年代被物理学家发现的，通常被称为半导体纳米微晶体，主要是由尺寸在1~10nm的II~VI族或者III~V族元素构成，是一种溶于水、稳定性高的纳米晶体。由半导体材料组成的量子点又被称为半导体纳米颗粒或者纳米晶^[4]。量子点是由一定数量的原子构成的三维团簇，整个三维尺寸都是纳米级。由于量子点具有类似于原子的能级分立结构的电子能量状态，所以量子点通常也被称为“人造原子”。

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