氮化碳纳米材料的可控制备及其变温荧光性质研究
作者单位:黑龙江大学
学位级别:硕士
导师姓名:安利民;孙建辉
授予年度:2024年
学科分类:0809[工学-电子科学与技术(可授工学、理学学位)] 07[理学] 070205[理学-凝聚态物理] 08[工学] 080501[工学-材料物理与化学] 0805[工学-材料科学与工程(可授工学、理学学位)] 080502[工学-材料学] 0702[理学-物理学]
摘 要:近年来,纳米发光材料因其在光催化、光电化学和光电检测等应用中展现出的巨大潜力而受到广泛关注。在众多纳米发光材料中,氮化碳发光材料由于其材料廉价、化学结构稳定和发光效率高等优势备受关注。然而,由于传统的热聚合方法导致氮化碳的聚合反应不完全,并且传质及脱氨反应的动力学速率较慢,会限制聚合程度和结晶过程,导致结晶性差。并且光生电子-空穴对的快速复合导致其光电转换效率较低,极大阻碍了氮化碳纳米材料的光电转换性能的提高。此外,氮化碳的能带结构调控比较困难,荧光光谱相对固定,限制了其在发光器件中的应用。为了克服这些不足,本论文以提高氮化碳的结晶度和扩展荧光光谱范围为目标,通过熔融盐辅助法和掺入铕离子的策略,制备了高结晶度氮化碳和铕离子掺杂氮化碳。通过对变温荧光光谱的分析,系统的研究了电子-声子耦合作用和非辐射跃迁过程对激子动力学的影响。本论文的主要内容包括以下几个方面: 通过熔融盐辅助法促进重缩聚的策略制备了高结晶度氮化碳,利用稳态和瞬态荧光光谱研究了80-380 K温度范围内高结晶度氮化碳的变温荧光性质,并与聚合物氮化碳进行了对比分析。通过变温稳态荧光光谱研究,得到高结晶度氮化碳的激子结合能为109.26 meV,这个数值小于聚合物氮化碳,这是因为高结晶度氮化碳的有序堆积结构导致较弱的库仑相互作用。同时测定的光学声子能量和热激活能,与聚合物氮化碳对比,进一步印证了结晶度对发光性质的调控作用。随着温度的升高,高结晶度氮化碳和聚合物氮化碳纳米材料的荧光寿命都有所降低,这是由于电子-声子耦合效应的增强导致非辐射通道被热激活。通过变温瞬态荧光光谱研究了非辐射过程对其激子动力学的影响,得出的热激活能为102.9 meV,和聚合物氮化碳的数值接近,说明高结晶度氮化碳和聚合物氮化碳能带结构基本一致。利用高斯拟合分析荧光光谱的三种不同跃迁途径:σ*-LP、π*-LP和π*-π,并深入研究这些发光中心的光物理特性。 通过一步热聚合的方法,在氮化碳纳米片内掺杂铕离子,合成了铕离子掺杂的氮化碳纳米片。通过在合成过程中调控铕离子前驱体的浓度,来探究氮化碳向铕离子传递能量的影响因素。使用X射线衍射、吸收光谱和荧光光谱等分析方法,对样品的形貌、结构和光学性能进行了详细的表征。利用变温荧光光谱观察到氮化碳和铕离子随温度的变化趋势相同,以此来进一步验证铕离子发光是由氮化碳能量传递引起的。 总之,我们通过熔融盐辅助法提高了氮化碳结晶度,基于一步热解法获得了铕离子掺杂氮化碳纳米片。利用变温稳态荧光光谱和瞬态荧光光谱对材料的发光性质进行深入分析。探究了高结晶度和铕离子掺杂对氮化碳纳米材料的发光影响,这些结果为氮化碳纳米材料光电转换器件的优化加深了光物理基础的理解,从而扩展其实际应用领域。