碳点作为一种新型的碳基荧光纳米粒子由于其可调谐发光、高光稳定性、生物相容性和低成本等独特优势而引起了很多关注。在过去的十几年中, 碳点的制备和应用取得了巨大进展。然而, 由于前体和合成方法的多样性, 碳点的光致发光机理具有很大争议。现在人们普遍认为, 碳点的光致发光源于电子在带隙的跃迁, 并将荧光起源分别归结为碳核跃迁(π-π*)、表面态跃迁(n-π*)以及分子荧光团等。本文总结了碳点发光起源的几种可能和机制, 分别讨论了通过调控碳点粒径以及进行表面工程处理的方法来实现碳纳米点带隙可调控的高效发光。介绍了通过表面工程、元素掺杂等手段提升碳纳米点光致发光量子产率及其在光电器件、信息存储、生物成像、光热治疗以及光动力治疗中的应用。

采用高温固相法合成了La2-xMgTiO6∶xDy3+和La2-x-yMgTiO6∶xDy3+,yEu3+系列荧光粉, 通过X射线衍射对其相结构进行了表征, 优化了荧光粉的组成, 研究了Dy3+和Eu3+浓度对发光强度的影响, 测试了荧光粉的荧光光谱和寿命, 研究了Dy3+和Eu3+之间的能量传递机理和能量传递效率。结果表明: 所有合成的掺杂荧光粉均为单相物质; La2-xMgTiO6∶xDy3+最佳掺杂浓度为x=0.05; 在350 nm近紫外光激发下, La2-x-yMgTiO6∶xDy3+,yEu3+显示出Dy3+的特征黄、蓝光发射和Eu3+的特征红光发射; Dy3+的荧光寿命呈双指数衰减, 随着Eu3+浓度的增大, Dy3+的荧光寿命逐渐减小, 证明了Dy3+和Eu3+离子之间存在着能量传递; 能量传递效率随着Eu3+掺杂浓度的增加而增加, La1.83MgTiO6∶0.05Dy3+,0.12Eu3+荧光粉的能量传递效率为53.9%; 改变调节Eu3+的掺杂浓度可以得到从冷白色到暖白色的荧光粉, La1.83MgTiO6∶0.05Dy3+,0.12Eu3+的色坐标为(0.337 3, 0.354 4)。

采用直流反应磁控溅射法, 在玻璃衬底上生长了沿(002)择优取向的AlN薄膜, 用Ｘ射线衍射仪(XRD)和扫描电子显微镜(SEM)对AlN薄膜结构和表面形貌进行表征, 并测量了AlN薄膜在405 nm激光激发下的光致发光(PL)光谱。结果表明, 在不同氮气含量条件下生长的AlN薄膜均呈(002)择优取向, 薄膜表面呈小颗粒密堆积排列, 颗粒尺寸在20 nm左右。不同氮气含量条件下生长的AlN薄膜在550 nm处均有较强的由于VAl能级向价带跃迁引起的缺陷能级发光峰; AlN薄膜在589, 614, 654 nm处也有较弱的缺陷能级发光峰, 随着氮气含量增大, 缺陷能级发光峰越来越明显, 产生原因分别为ON-ON缺陷对向VAl-2ON产生的复合缺陷能级的跃迁、导带向与氧有关的杂质能级(IO)间的跃迁以及VAl-ON深能级向价带的跃迁。

利用高温固相法制备NaMg4-xCax(VO4)3∶0.01Eu3+(x=0~2)、NaMg2.1Ca1.9-y(VO4)3∶yEu3+(y=0~0.19)、NaMg2.1Ca1.9-y(VO4)3∶yEu3+,yX-(X=Cl,F)和NaMg2.1Ca1.9-2y(VO4)3∶yEu3+,yM+(M=Li,Na,K)系列荧光粉, 采用X射线粉末衍射仪、扫描电子显微镜和荧光分光光度计对样品进行了结构和性能表征。探讨基质结构变化和Li+、Na+、K+、F-、Cl-等阴阳离子的电荷补偿作用对VO3-4和Eu3+发光性能的影响以及能量传递机理。研究表明立方相NaMg2Ca2(VO4)3比四方相NaMg4(VO4)3更能被紫外光有效激发, 同时发射基质的蓝绿光和铕离子的红光, 且VO3-4和Eu3+之间的能量传递效率达到42.21%。电荷补偿剂能显著提高Eu3+的发射强度, 同时基质发光强度减弱表明电荷补偿剂增强了基质与激活剂离子间的能量传递。通过控制合成条件可以得到单一基质白光发射荧光粉。

以2-苯基吡啶为主配体、以氟修饰的吡啶-2-甲酸为辅助配体合成出一系列环金属中性铱配合物。产物结构通过核磁及质谱进行了确认, 对其光物理性能研究表明, 这些配合物的发光波长在498～516 nm之间, 属于绿光发射。没有氟取代的配合物Ir1量子效率最高, 达到32%, 而由于2位氟取代的位阻影响Ir4的量子效率最低只有6%, 其他氟取代配合物的量子效率在13%～16%之间。引入氟原子后配合物的氧化电位都有所增加, 氧化电位由511 mV增加到547～574 mV 之间。热稳定性也在氟取代后增加, 由142 ℃提高到187～380 ℃之间, Ir4提高的最少, 为187 ℃。应用于电致化学发光时, 除Ir4外, 氟取代都能增加其电致化学发光强度, 由332增加到333～370之间。而配合物Ir4的发光强度只有203。以上结果表明氟取代的效果跟位置有很大关系, 2位氟取代由于位阻效应, 使配合物的量子效率及稳定性都有不利影响, 而其他位置的取代则能提高配合物的这些性能。该研究结果对设计开发综合性能优异的发光材料具有借鉴意义。

基于贵金属表面局域等离子体共振(LSPR)调控上转换荧光的研究绝大部分集中于纳米颗粒或纳米棒, 即使同一复合结构对上转换荧光(UCL)也有或增强或猝灭的截然相反的报道, 而对于进一步提高上转换荧光材料的效率和强度以满足更广泛的应用需求则越来越引起人们高度关注。本文通过构筑两种纳米金/上转换纳米晶复合结构, 系统研究了各自的表面局域等离激元对上转换荧光的增强和猝灭效应, 基于微结构表征及对稳态、瞬态荧光光谱的分析, 阐述了波长依赖的上转换荧光增强和猝灭机理。结果显示超薄纳米金壳结构对Ho3+、Fe3+共掺杂纳米晶的绿光发射选择性地增强了25倍, 源于激发光能量与LSPR能量匹配的激发增强机制, 而在覆盖有超薄纳米金膜的上转换纳米晶复合结构中却观察到了金膜引起的Er上转换荧光猝灭, 同时红绿比随金膜厚度增加而增大, 来自于金膜对激发光的散射、金膜的LSPR吸收带与绿光发射能级耦合引起无辐射跃迁几率增加, 绿光上转换荧光强度下降相对显著, UCL寿命变短。

为了研究氮掺杂对纳米碳点荧光发射行为的影响和探索掺氮碳点的快速制备途径, 以2-氨基对苯二甲酸为前驱体, 与不同的修饰剂一起溶解于去离子水中, 经微波辐射3 min, 一步法合成了新型掺氮碳点。实验结果表明: 制备的掺氮碳点水溶性好, 发蓝色荧光, 且发射行为不依赖于激发波长; 颗粒近似为球形, 尺寸5～8 nm, 晶面间距为0.23 nm, 接近石墨碳(100)面晶格结构; Fe3+通过与掺氮碳点表面含氧基团的络合配位, 可有效地猝灭其荧光, Fe3+浓度在5～60 μmol·L-1的范围内与相对荧光强度呈现良好的线性关系, 检出限约为1.01 μmol·L-1, 可以作为检测Fe3+浓度的荧光探针。

采用高温固相法在1 300 ℃煅烧2小时制备了不同浓度Dy3+离子掺杂的YNbO4微晶粉末, 测量了样品的X射线衍射谱, 结果表明生成了纯相YNbO4微晶结构。采用漫反射积分球和光纤光谱仪测量了样品吸收谱, 并通过Judd-Ofelt理论计算了Dy3+掺杂YNbO4微晶粉末样品的光谱强度参数Ω2、Ω4、Ω6, 以及实验和理论振子强度。测量了监测波长为577 nm的样品激发谱, 结果表明在260 nm处有一个强激发峰, 其主要由YNbO4晶格吸收产生, 在其他波段还有几个较强激发峰, 主要归因于Dy3+离子的4f-4f跃迁。测量了270 nm和360 nm波长激发下的发射谱, 观察到了相似的发射峰分布。通过不同Dy3+掺杂浓度样品发射峰比较, 发现了浓度猝灭效应。根据能量传递理论分析表明, Dy3+离子的浓度猝灭属于电偶极-电偶极相互作用。最后, 计算了样品的CIE色坐标, 发现最接近于白光区域的色坐标为(0.219, 0.166)。

采用含二甲基亚砜(DMSO)添加剂的二步溶液法制备高质量CH3NH3PbI3吸收层, 并制备了结构为FTO/TiO2致密层/TiO2介孔层/CH3NH3PbI3吸收层/碳电极的碳基无空穴传输层的钙钛矿太阳能电池(PSCs)。研究了PbI2薄膜分别在相同浓度的MAI/IPA溶液中浸泡不同时间, 以及在不同浓度的MAI/IPA溶液中浸泡相同时间对CH3NH3PbI3薄膜的形貌、结构以及对PSCs光伏性能的影响规律。结果表明, 在PbI2/DMF溶液中添加DMSO之后使制备的PbI2薄膜呈多孔疏松状态, 有利于MAI/IPA溶液渗入PbI2薄膜内部, 缩短PbI2完全转换成CH3NH3PbI3的时间; 当浸泡时间为40 min时, 电池的光伏性能最佳, 其开路电压为0.82 V, 短路电流密度为21.21 mA/cm2, 填充因子为0.49, 光电转化效率为8.61%。但是当浸泡时间过长, CH3NH3PbI3薄膜表面会出现大晶粒, 导致电池的光伏性能变差。而在相同的浸泡时间下, MAI/IPA溶液的浓度则会显著影响PbI2转化成CH3NH3PbI3的速度, MAI/IPA溶液的浓度越高, PbI2完全转化成CH3NH3PbI3的速度越快。

为改善有机半导体器件的界面性能, 在氮化硅层上旋涂聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)构成复合绝缘层。首先, 利用原子力显微镜研究了不同浓度的PMMA复合绝缘层的表面形貌及粗糙度。接着, 蒸镀六联苯(p-6P)、酞菁铜和金电极, 构成有机的金属-绝缘层-半导体(MIS)器件。最后, 研究了MIS器件的回滞效应及电性能。实验结果表明, 复合绝缘层的粗糙度为单绝缘层的1/5, 大约1.4 nm。复合绝缘层上的p-6P薄膜随着PMMA浓度增加形成更大更有序的畴, 但单绝缘层上薄膜呈无序颗粒状。复合绝缘层的有机MIS器件几乎没有回滞现象, 但单绝缘层的器件最大回滞电压约为12.8 V, 界面陷阱电荷密度约为1.16×1012 cm-2。复合绝缘层有机薄膜晶体管的迁移率为1.22×10-2 cm2/(V·s), 比单绝缘层提高了60%, 饱和电流提高了345%。基于复合绝缘层的MIS器件具有更好的界面性能和电性能, 可应用到有机显示领域。

为了研究采用微槽群复合相变换热技术的大功率太阳花散热器多角度投光的方向效应及综合散热性能, 实验研究了散热器高度、功率以及采用微槽群复合相变换热技术后的过余温度、平均对流换热系数随出光倾角的变化规律, 并获得了出光倾角的Ra与Nu关联式。研究结果表明: 出光倾角小于90°时, 微槽群散热器热源过余温度大幅低于型材散热器, 在高度为90 mm, 出光倾角为30°, 输入功率为80,100,120,200 W时热源温度分别降低了11.6,13.3,18.9,26.7 K, 呈现出功率越大降幅越大的趋势; 出光倾角大于90°时, 微槽群散热器热源过余温度略高于型材散热器, 原因是微槽群散热器内部的真空环境影响散热器的均温性; 输入功率越高, 方向效应越明显; 散热器高度越低, 平均对流换热系数越大, 对比高度60 mm与高度90 mm, 在出光倾角为0°时, 功率为80,100,120 W时分别提高了27.5%、23.8%和24.2%。因此, 设计LED灯具散热器时应综合考虑散热器的方向效应。

为了探究高功率连续激光作用下CCD的损伤特性随时间的演化规律, 根据其结构特点和工作原理, 建立了1.06 μm连续激光辐照CCD的六层结构热力耦合三维模型。综合考虑了微透镜聚焦和铝膜开口率等因素的影响, 通过改变CCD不同损伤阶段的激光辐照方式, 数值模拟分析了CCD多层结构的层层损伤机理, 研究了CCD各个损伤阶段的时间阈值, 并与实验结果进行了对比。结果表明, 微透镜聚焦光束阶段, 微透镜由于熔点较低, 发生熔融分解, CCD表现为点损伤; 微透镜熔融阶段, 失去聚光能力, 在应力损伤和熔融损伤共同作用下, 铝膜层熔融剥落, 表现为纵向亮线损伤; 铝膜层熔融剥落阶段, 激光直接辐照在硅电极上, 硅电极上表面熔融, 造成布线电路的损伤, 导致部分像元中的电荷无法转移, 出现横向暗线损伤; 最后, SiO2绝缘层受剪切应力而断裂, 使得硅电极和硅基底相互导通, 造成完全损伤。实验与仿真结果趋势一致, 误差较小, 相互验证。

多芯片LED光源的可靠性分析涉及到光、电、热多个物理场, 高精度的多场分析结果会导致计算资源过多、计算时间过长、计算难度大等问题。为解决上述问题, 本文分别利用传统的有限元算法(FEM)和高效的人工神经网络方法(ANN)进行LED光源温度分析, 并讨论两种方法的优劣性。最后, 通过将FEM分析单一传热物理场的优势与ANN计算时间短、计算资源需求低的优势相结合, 归纳出一种更为高效的方法来进行多芯片LED光源的散热分析。利用该方法, ANN的预测数据与训练数据之间的相关系数达到了0.997 79, 预测结果与实际热分布图有良好的匹配, 计算资源相比传统的FEM方法节约了59％。该方法的应用能够在满足精度的前提下耗费更少的计算资源和时间, 同时提高了分析的灵活性。除此之外, 该方法对求解大功率LED光源寿命等可靠性问题也具有一定的参考价值。

结合激光能量涨落对输出电脉冲涨落影响的实验, 通过理论分析研究了激光能量涨落对GaAs光电导开关时间抖动特性的影响。 实验中, 当外加偏置电压为2 kV时, 使用波长为1 053 nm、脉宽为500 ps的激光触发GaAs光电导开关, 在不同的激光能量下测试能量涨落对输出电脉冲涨落的影响, 通过对比分析指出激光能量的涨落与输出电脉冲涨落成正比关系。结合对光生载流子输运过程的分析, 结果表明随着激光能量涨落的增加, GaAs光电导开关时间抖动也会随之增加, 直到激光能量达到GaAs饱和吸收限时, 能量的涨落不会再引起开关时间抖动的迅速变化。这一结论为GaAs光电导开关应用于条纹相机中提供了理论基础。

针对厚皮果透光性差、不同柚子品种糖度在线检测要单独建模等问题, 本文以柚子为研究对象, 采集有效光谱325条, 对比分析不同柚子品种在710 nm和800 nm附近的两个吸收峰光谱响应特性。550～970 nm全波段范围内的光谱采用SPA无信息消除后建立柚子偏最小二乘判别模型误判率为1.25%; 偏最小二乘法在550～970 nm全波段范围和去差异化后750～930 nm波段范围的预测相关系数分别为0.58和0.86, 预测均方根误差RMSEP分别为0.84和0.55。实验结果表明, 连续投影法结合偏最小二乘判别模型可以实现不同柚子品种的定性判别, 变异系数法对光谱去差异化后结合最小二乘模型对厚皮果柚子可溶性固形物的定量检测效果最佳, 该研究为不同品种的厚皮果在线分选技术提供了参考和理论依据。

空间高能粒子辐照航天器电子器件诱发的毁伤和热演化特征, 直接关系到航天器的在轨安全运行和在轨任务的顺利实施。本文利用自行构建的飞秒脉冲激光辐照系统、激光诱发毁伤的数据采集系统、数据读写系统和红外热成像系统, 开展了不同激光输出重复频率、不同作用区域下辐照铁电存储器(FRAM)实验, 获取激光辐照于铁电存储器被照面的稳态温度场和铁电存储器的暂态失效和永久失效出现时间, 并观测了辐射效应对铁电存储器的毁伤效果, 经MATLAB软件处理得到了激光辐照铁电存储器不同区域热演化过程的温度场分布。实验结果表明: 在激光输出功率近似相同的飞秒脉冲激光辐照条件下, 激光脉冲输出重复频率越低, 诱发永久性毁伤出现时刻的时间越长, 近似呈非线性增长; 随着激光输出重复频率的增大, 激光对铁电存储器的作用由激光电离存储器介质产生的高能带电粒子对铁电体自发极化的破坏为主, 逐步转变为以热辐射与热应力诱发的毁伤; 当激光在器件表面产生的最高温度接近存储器最高工作温度时, 永久毁伤的出现时间将显著延长。并通过对回归参数的计算和假设检验, 给出了回归参数的置信度1-α为95%的条件下激光辐照区域1与区域2的最高辐射温度与激光输出重复频率的拟合关系式。