采用熔融冷却法制备了铕掺杂碱土金属硼铋酸盐玻璃(BBME, BBCE, BBSE, BBBE)。研究了玻璃的密度、摩尔体积、光学碱度等物理性质, 分析了玻璃的结构、光学性质和热稳定性。结果表明, 从BBME到BBBE, 玻璃结构致密程度不断下降。Eu3+能较好地熔融到玻璃中, 成为良好的发光中心, 在465 nm和613 nm处分别有强烈的蓝光激发和橙红光发射, 激发和发射强度从BBME到BBBE不断增强。玻璃均呈现非晶态, 其结构对称性相对较低, 从BBME到BBBE呈下降趋势。玻璃结构主要组成为非对称的［BO3］三角体、松散的［BO4］四面体、［BiO3］三角体以及含［BO4］四面体的三硼环、四硼环和五硼环, 结构中均不存在硼六圆环, 也不存在含［BO3］三角体的五硼环、焦硼环和正硼环。研究结果表明, 所研制的低温铕掺杂碱土金属硼铋酸盐玻璃具有热稳定好、折射率相对适宜的优点, 有望成为未来白光LED(荧光粉)玻璃陶瓷的良好基质。

硅材料带隙与太阳光子光谱的失配导致了比较严重的光子损失, 大大降低了硅太阳能电池的效率。为了减少入射光子的损失, 可以利用具有近红外量子剪裁效应的光谱转换材料来提高硅太阳能电池的效率。本研究采用溶胶凝胶法制备了Sr3Al2O6∶Tb3+,Yb3+荧光粉, 并研究了其近红外量子剪裁效应。实验结果表明: 在320 nm的紫外光激发下, Sr3Al2O6∶Tb3+,Yb3+荧光粉发射出Tb3+:5D4→7Fj的可见光; 另外, 由于Tb3+、Yb3+离子之间的合作能量传递, 得到了Yb3+:7F5/2→7F7/2的近红外发光。荧光寿命衰减证明Tb3+到Yb3+之间的确存在合作能量传递, 而且存在量子剪裁效应, 其中, 能量传递效率为35.9%, 量子剪裁效率为135.9%。由于Yb3+的发射光谱与硅太阳能电池的吸收匹配, Sr3Al2O6∶Tb3+,Yb3+荧光粉有可能作为潜在的光谱转换材料应用于硅太阳能电池以提高其光电转换效率。

利用高温熔融法制备了不同Li+含量的掺杂Yb3+、Tm3+的硅酸盐玻璃样品, 玻璃样品在980 nm半导体激光器的泵浦下能够产生477 nm的蓝光和654 nm的红光。由上转换的荧光强度和泵浦功率的双对数拟合直线得到, 添加Li+能够增加上转换过程中Tm3+向上跃迁的几率, Tm3+的3F2和1G4能级的粒子数布居增加, 从而提高辐射跃迁的几率。红外光谱和拉曼光谱表明Li+的添加对玻璃基质的声子能量影响不大, 却使得声子态密度减小, 使上转换效率提高, 从而提高Yb3+、Tm3+在硅酸盐玻璃中的发光强度。

采用高温固相法, 以50Nb2O5-40Y2O3-2Nd2O3-8Yb2O3的量比在1 300 ℃下制备Nd3+/Yb3+掺杂YNbO4粉末样品。运用Judd-Ofelt理论研究样品光谱特性。由吸收谱中各吸收峰面积计算得到谱线强度参数Ωλ (λ=2, 4, 6), 进而得出理论振子强度及实验振子强度, 二者均方根偏差δrms=1.618×10-7。计算了Nd3+能级4F3/2→4IJ′(J′=15/2, 13/2, 11/2, 9/2)跃迁几率、跃迁分支比和能级寿命。4F3/2→4I11/2跃迁分支比最高(56.91%), 对应波长1 062 nm。且亚稳态4F3/2能级寿命较长, 为1.435 2 ms, 适合作为上转换中间能级。在980 nm 半导体激光器激发下, 观测到波长为487, 541, 662 nm上转换发光, 分别对应于Nd3+的2G9/2→4I9/2、4G7/2→4I9/2 和 4G7/2→4I13/2辐射跃迁。通过样品上转换发射功率与激光器工作电流进行的曲线拟合, 得到吸收光子数目依次为2.06, 1.99, 2.15, 确定3个发射峰均对应于双光子吸收。

采用溶胶凝胶法制备ZnO∶Al,Sm阻挡层薄膜, 并用X射线衍射仪(XRD)、能谱仪(EDS)、红外光谱(FTIR)、荧光光谱(PL)、紫外可见光谱(UV-Vis)和扫描电子显微镜(SEM)等对阻挡层薄膜进行了表征, 探讨了Al、Sm掺杂量对阻挡层薄膜性能的影响。结果表明: 当Al的掺杂摩尔分数为1%、Sm的掺杂摩尔分数为3%时, 所制备的阻挡层荧光强度最高, 可将部分紫外光下转换为588 nm的可见光, 拓宽了光谱响应范围; 基于ZnO∶1%Al,3%Sm阻挡层的海胆棘壳色素敏化的纳米TiO2太阳能电池的开路电压为0.73 V, 短路电流密度为0.68 mA/cm2, 转换效率达0.33%, 效率比基于ZnO阻挡层的电池提高了约136%。

用高温固相法制备了Sr7Zr(PO4)6∶Tb3+、Sr7Zr(PO4)6∶Ce3+及Sr7Zr(PO4)6∶Tb3+, Ce3+一系列荧光粉, 并通过X射线衍射仪及荧光光谱仪分析了其结构和发光性质。结果表明, Sr7Zr(PO4)6∶Tb3+呈现特征绿色发射, 最强发射峰位于543 nm, 属于Tb3+的5D4→7F5跃迁, 激发峰位于226 nm处, 但激发带较窄。为拓宽其激发带的宽度, 在Sr7Zr(PO4)6∶Tb3+中掺入了Ce3+, 观察到掺入Ce3+后激发带变宽, 且在Ce3+的激发波长处激发得到了Tb3+的发射, 表明存在Ce3+到Tb3+的能量传递。

为了提高钙钛矿太阳能电池的能量转化效率, 减小回滞现象, 研究了聚乙二醇(PEG)掺杂钙钛矿太阳能电池阳极修饰层PEDOT∶PSS对器件性能的影响。通过电容-电压(C-V)测试分析了PEDOT∶PSS修饰层和钙钛矿层之间的界面电荷积累情况, 通过电流密度-时间(J-T)瞬态光电流的测量研究了修饰层和钙钛矿层之间缺陷态情况。结果表明, PEG掺杂阳极修饰层提高了器件的短路电流(Jsc)、开路电压(Voc)和填充因子(FF), 光电转化效率从7.5%提高到10.0%, 光电转化效率提高了33%, 经过掺杂后的器件回滞现象明显减弱。这种通过PEG掺杂PEDOT∶PSS的方法能够减少器件界面处的电荷积累和缺陷态, 从而减小器件的回滞现象, 提高器件的能量转化效率。

对采用MOCVD方法制备的晶格匹配(LM)与晶格失配(UMM)GaInP/GaInAs/Ge三结太阳电池进行了1 MeV电子辐射效应研究。结果表明: 在电子辐照下, 两种电池的I-V特性参数(开路电压Voc, 短路电流Isc, 最大输出功率Pmax)均发生衰降, 且晶格失配电池的I-V特性参数衰降均大于晶格匹配电池。在光谱响应方面, 对于顶电池, 晶格匹配电池的衰降大于晶格失配电池; 而中间电池则前者衰降小于后者; 另外, Ge底电池的光谱响应表现特殊, 辐照后光谱响应变强。

为了制备大面积周期性微纳米结构以提高LED的发光效率, 建立了劳厄德(Lloyd)干涉光刻系统。简单分析了该干涉光刻系统的工作原理, 并介绍了利用干涉曝光工艺制备一维光栅、二维点阵、孔阵列等纳米结构图形的具体实验过程。最后对纳米图形进行结构转移, 制备出了金属纳米结构。实验结果表明: 利用劳厄德干涉光刻系统, 可以在20 mm×20 mm大小的ITO衬底上稳定制备出周期为450 nm的均匀光栅或二维点阵列图形结构, 它们的占空比也是可以调节变化的。

作为宽禁带半导体器件, GaN基肖特基势垒二极管(SBD)有耐高压、耐高温、导通电阻小等优良特性, 这使得它在电力电子等领域有广泛应用。本文首先综述了SBD发展要解决的问题; 然后, 介绍了GaN SBD结构、工作原理及结构优化研究进展; 接下来,总结了AlGaN/GaN SBD结构、工作原理及结构优化研究进展, 并着重从AlGaN/GaN SBD的外延片结构、肖特基电极结构以及边缘终端结构等角度, 阐述了这些结构的优化对AlGaN/GaN SBD性能的影响; 最后, 对器件进一步的发展方向进行了展望。

制备了基于双母体结构的高效率蓝色磷光有机电致发光器件。通过与采用单母体结构和双发光层结构的器件性能进行对比, 发现双母体结构的应用对蓝光器件的性能起到了明显的提升作用。双母体蓝光器件的最大效率为14.9 cd/A (13.3 lm/W), 最大亮度达到10 440 cd/m2, 其开启电压仅为2.7 V。蓝光器件同时展示出低的效率滚降特性, 在100~5 000 cd/m2范围内, 器件的效率滚降仅为35.3%。在3~8 V的电压变化内, 器件的色坐标一直位于蓝光区域。

在阳极和空穴传输层分别引入氧化镍纳米结构缓冲层, 制备了蓝色有机发光二极管, 对二极管的电学和光学特性进行了测试分析, 研究了采用电化学方法制备的氧化镍纳米结构对器件的影响。结果表明, 纳米结构氧化镍缓冲层能够有效地提高空穴-电子对的产生和复合效率, 它的引入带来了高效的空穴注入及发光层中的载流子平衡, 能有效提高有机发光二极管的电致发光特性。氧化镍缓冲层沉积时间为30 s的器件具有最高的亮度和电流效率, 分别为42 460 cd/m2和24 cd/A, 该器件的CIEx,y 色坐标为(0.212 9,0.325 2)。

对苯基、萘基和蒽基在中位取代的氟硼二吡咯(BODIPY)衍生物薄膜的放大自发辐射(ASE)性能进行了研究, 探讨了影响材料ASE稳定性的因素。首先,将3种BODIPY衍生物材料PhBOD、NaBOD和EnBOD掺入聚苯乙烯经溶液旋涂法制备成薄膜, 接下来测试了吸收光谱和荧光光谱, 然后在光泵浦条件下测量了3种样品的ASE性能, 获得了材料的ASE阈值。进一步通过长时间泵浦、环境中长时间放置和高温环境下泵浦等方法研究了材料的光稳定性、ASE环境稳定性和热稳定性。最后使用Gaussian 09计算了分子基态性质。实验结果表明, PhBOD、NaBOD和EnBOD薄膜的初始阈值分别为12.4, 4.55, 3.4 kW/cm2,其中PhBOD有较强的ASE稳定性。ASE稳定性差异可能与分子结构的共轭程度和化学稳定性相关。分子中各个基团的共轭程度较大、Mulliken电荷分布对称性较好的材料具有较好的ASE稳定性。

为降低量子点发光二极管(QLED)的开启电压, 提高器件性能, 利用电子传输性能良好的氧化锌(ZnO)作为电子传输层, 制备了结构为ITO/PEDOT∶PSS/poly-TPD/QDs/ZnO/Al的QLED样品。在该器件结构基础上, 采用隧穿注入和空间电荷限制电流模型仿真分析了载流子在量子点(QDs)层的电流密度。研究发现, 当ZnO厚度为50 nm时, poly-TPD的理论最优厚度为40 nm, 载流子在QDs层的注入达到相对平衡。通过测试器件的电流密度-电压-亮度-发光效率特性, 研究了空穴传输层厚度对QLED器件性能的影响。实验结果表明, 当空穴传输层厚度为40 nm时, 器件的开启电压为1.7 V, 最大发光效率为1.18 cd/A。在9 V电压下, 器件最大亮度达到5 225 cd/m2, 远优于其他厚度的器件。实验结果与仿真结果基本吻合。

为研究激基复合物器件激子复合区域的变化, 在TPD/BPhen界面可形成激基复合物发光的基础上, 以Ir(pq)2(acac)为探测层, 制备器件ITO/MoO3(2.5 nm)/TPD((40-x) nm)/Ir(pq)2(acac)(0.5 nm)/TPD(x, x=0,3,6,10 nm)/BPhen(40 nm)/Cs2CO3/Al, 其中靠近BPhen的TPD称之为间隔层。电致发光光谱表明, 该组器件的激子复合区域主要位于Ir(pq)2(acac)薄层和TPD/BPhen界面, 分别发射595 nm和478 nm的光。随着TPD间隔层厚度的增加和电压的升高, 发光区域向激基复合物区域(TPD/BPhen界面)移动, 即更多的电子和空穴在TPD/BPhen界面形成激基复合物发光, Ir(pq)2(acac)发光减弱。当间隔层厚度由0 nm增至10 nm时, 6 V电压下的Ir(pq)2(acac)和激基复合物发光强度的比值由44降至1.5。对于间隔层厚度为6 nm的器件, Ir(pq)2(acac)和激基复合物发光强度的比值由6 V时的2.8降至10 V时的1.0。由此可见, 激基复合物给体作间隔层能有效调节激子复合区域。

以小角度近似为条件, 利用逐级递归的方法推导了激光信号在沙尘天气下的辐射传输方程, 得到了多次散射下的光强分布函数, 以及波长和不对称因子对光强的影响。同时, 通过比较不同散射相位函数及沙尘粒子的散射特性, 采用了修正的TTHG(Two Term Henyey-Greenstein)散射相位函数, 更加全面地反映了沙粒散射后光强的变化规律。研究结果表明, 随着光学厚度的增加, 散射光强呈现出先增大后减小的趋势, 且多次散射的比重相比于单次散射而言逐渐增大。当散射次数超过3次以上时, 接收光强的变化可以忽略不计。相对于Mie理论下的结果而言, 采用小角度近似理论, 从辐射传输的角度分析沙粒的散射特性误差更小, 实现了准确描述沙尘天气下激光信号传输特性的目的。

以柠檬酸为碳源制备碳量子点(CQDs), 所得碳量子点被394 nm的光激发后在484 nm处有较强的荧光发射, 最大吸收波长为482 nm的日落黄能强烈猝灭碳量子点的荧光。基于该现象, 发展了一种以碳量子点为荧光探针测定日落黄的分析方法, 并探讨了荧光猝灭机理。在选定的实验条件下, 该分析方法的线性检测范围为0.1～100 μmol/L, 检出限(3σ/k)为0.051 μmol/L。

十二烷基苯磺酸钠(SDBS)与十二烷基苯磺酸钠(SDS)之间的相互作用, 能对SDBS的检测产生明显干扰。实验结果表明, 在水溶液中SDS不仅可以增大SDBS的同步荧光强度, 还能显著降低SDBS的表观临界胶束浓度。按SDBS的摩尔计量比加入1∶1的羟丙基-β-环糊精(HP-β-CD), 可以消除SDS对SDBS的同步荧光强度的干扰。相比于形成胶束, 在SDS/SDBS水溶液中, SDBS单体优先选择与HP-β-CD形成量比1∶1的包结物。当水溶液中HP-β-CD的浓度由0增加至0.900 mmol·L-1时, 复配体系中SDBS形成胶束的标准摩尔吉布斯函变ΔγGθm由-39.681 kJ·mol-1增加至-37.580 kJ·mol-1。加入适量HP-β-CD后, 能够准确检测SDS/SDBS水溶液中SDBS的含量(临盘采油厂T5站地层水样), 方法的回收率为101.0%~ 101.6%。FT-IR及1H-NMR分析表明, SDBS分子进入HP-β-CD分子内腔的大口径端并形成量比1∶1的包结物, 是消除SDS对SDBS检测干扰的根本原因

为探讨胞嘧啶(Cytosine, Cy)在基底银表面的吸附特性和规律, 采用表面增强拉曼散射(SERS)光谱对其吸附行为进行分析, 并结合量子化学密度泛函理论(DFT)/B3LYP计算方法对Cy分子的常规拉曼光谱(NRS)及Cy与Ag团簇吸附的SERS光谱进行计算, 与测定结果进行比对且对其拉曼峰进行系统指认及归属, 理论计算结合实测值探讨了Cy在基底Ag上的增强效应和吸附行为。考察了Cy分子在Ag纳米粒子上的不同吸附时间、浓度、pH等条件对SERS光谱的影响及优化, 发现pH影响最大, 在中性和强碱性条件下的增强效应明显优于酸性。Cy分子存在2种不同的异构体和3种不同的存在形态, 并随酸度变化相互转化而达动态平衡。基于Cy在不同pH时的形态分布和相应的SERS变化规律, 结合DFT算得的Cy分子中的电荷分布及在银基底表面的吸附机制, 详细探讨了酸碱对Cy分子的SRES光谱影响的内因和吸附机理, 指出在中性和弱碱性时, 是Cy中的N3和O与Ag形成配位吸附; 在pH大于11时, N与Ag形成配位吸附, 而O与Ag形成共价吸附。

在电子-体纵光学(Longitudinal optical,LO)声子强耦合条件下, 采用LLP-Pekar型变分法推导出计及厚度下量子点中极化子的基态和第一激发态能量本征值和本征函数以及平均声子数的电磁场依赖性。在此基础上, 以极化子的二能级结构为载体构造了量子点量子比特。数值计算结果表明: 量子比特的振荡周期T0随量子点厚度L的增加而增大, 随磁场的回旋频率ωc、电场强度F和电声子耦合强度α的增加而减小。量子比特的概率密度Ψ(ρ,z,t)2随电子横向坐标ρ的变化呈现“正态分布”并受到量子盘厚度L和有效半径R0的强烈影响, 随电子纵向坐标z、角坐标φ和时间t作周期性振荡变化。消相干时间τ随磁场的回旋频率ωc、色散系数η和电子-声子耦合常数α的增加而增大, 随电场强度F、量子点厚度L和有效半径R0的增加而减小。量子点的厚度是量子点量子比特的一个重要参数, 理论上可以通过设计不同的量子盘厚度并结合调节外加电磁场的强度, 达到调控量子比特振荡周期、消相干时间大小的目的。