有机-无机杂化钙钛矿(OIHPs)是现阶段较为新颖的光电子材料之一, 已被广泛地应用于太阳能电池和发光领域。然而, 该类材料已被证实具有较强的自旋轨道耦合和Rashba效应, 并且具备较高的载流子迁移率和消光系数。因此, 这为实现自旋注入和自旋调控提供了重要依据。本文从三个方面对有机-无机杂化钙钛矿的自旋光电子学展开论述, 首先是自旋极化电子在钙钛矿自旋器件中的输运研究以及铁磁-钙钛矿自旋界面研究; 其次, 是该材料在激发态下的磁场效应研究; 最后, 就钙钛矿自旋光电子学未来发展进行了探讨和评论。

稀土超分子体系由于其独具特色的结构和光学特性, 近年来受到了广泛的关注。本文回顾了稀土超分子体系的发展进程, 聚焦该领域目前取得的进展, 并结合发光材料的发展需求展望了这一新型体系未来面临的挑战和发展契机。

近年来, 金属卤化物钙钛矿以其光吸收系数高、色纯度高、色域广、发光波长连续可调、光致发光量子产率高、载流子扩散长度大和成分稳定不易分解等优点, 成为光电子应用领域极具潜力的新材料, 其在太阳能电池、发光二极管、忆阻器、激光器、光电探测器和防伪标签等方面均有出色的表现, 并且可通过简单的全溶液法制备, 为印刷工艺的结合、大尺寸生产和产业化提供了可能。实验采用一步溶液法制备了原位生长的溴化铅铯钙钛矿薄膜, 其在(100)晶面有择优取向, 且相应的晶面间距小于PDF标准卡片值。通过增大前驱液的浓度, 使样品的形貌结构产生差异, 薄膜的连续性和致密性随之提高, 晶粒得到细化, 在375 nm激发光下的光致发光(PL)强度得到约5倍的提升, 且PL峰位蓝移6 nm, 同时该过程导致的晶格畸变使其PL光谱半高宽(FWHM)增大超过2 nm。

利用两种半柔性的π-不饱和双吡啶端基配体与CuI配位, 分别通过结构转化法和原位组装法, 得到两种具有{［CuIL］·solvents}n结构通式的二维和三维碘化亚铜配位聚合物, 分别命名为Cu-3和Cu-4。利用X射线单晶衍射、X射线粉末衍射和元素分析等表征方法确定了Cu-3和Cu-4的结构信息。研究这两种配位聚合物的光物理性能发现, 用紫外光激发时, Cu-3和Cu-4均表现出单一发射峰, 最大波长分别为513 nm的蓝绿光和555 nm的黄色光, 归属于卤素到配体的电荷转移(3XLCT)。同时, 这两种配位聚合物均表现出双光子激发发光性质, 有望应用于生物成像领域。

次氯酸(HOCl)是一种由过氧化氢和氯离子在髓过氧化物酶(MPO)催化作用下产生的活性氧。由于其在机体抵抗病原体的免疫防御中起着至关重要的作用, 因此对HOCl的识别和检测具有非常重要的意义。目前, 检测HOCl的方法有电分析法、色谱法、化学发光法和荧光分析法, 其中荧光检测法以其简单、快速、高选择性、高灵敏度和实时检测等突出优点引起了许多研究者的兴趣。本文以亚甲基蓝(Methylene blue, MB)为荧光母核, 设计合成了一种近红外荧光探针MB-1用于HOCl的特异性检测。该探针可在体外特异性检测HOCl, 响应之后, 荧光会有显著的增强, 同时伴有溶液颜色从无色到蓝色的明显变化。该探针对HOCl具有较高的灵敏度, 其检测限为8.2 nmol/L。此外, 该探针具有较好的抗干扰能力, 为在生理水平上检测HOCl提供了可能。

以Sr3N2、Eu2O3、AlN和Li3N为原料, 利用高压氮化烧结制备了系列高显色LED用红色荧光粉(Sr0.96,Eu0.04)LiAl3N4。通过XRD、SEM图像和激发发射光谱研究了不同Sr3N2用量、不同助熔剂对荧光粉颗粒和发光性能的影响。XRD及XRD Rietveld精修结果表明, 1.3倍Sr3N2原料所得的粉体具有更纯的晶相, 此时发光强度达到最大。研究了分别以氯化物和氟化物作为助熔剂对烧结粉体发光效果以及颗粒形貌的影响, 结果表明LiCl和NH4F的助熔效果较好。将LiCl和NH4F作为组合助剂, 研究了不同组合比例对荧光粉发光性能的影响, 实验确定组合比例为1∶1时可得到颗粒分散性较好的窄谱带红光荧光粉, 发光强度比未使用助熔剂时提高了近4倍。红色荧光粉(Sr0.96,Eu0.04)LiAl3N4粉体与GAG535绿粉组合进行4 000 K白光封装测试, 结果表明该器件具有较高的发光效率, 显色指数Ra高达91.9, 适用于高显色指数的封装方案。

通过Suzuki偶联反应, 用不同基团对双噻吩原料上的溴原子进行取代后合成了一系列双噻吩衍生物: 3-(5′-溴-［2,2-双噻吩］-5-基)吡啶(Dt-1)、5,5-双(吡啶-3-基)-2,2-双噻吩(Dt-2)、5-(3,5-双(三氟甲基)苯基)-2,2-双噻吩(Dt-3)、5,5-双(3,4,5-三氟苯基)-2,2-双噻吩(Dt-4)。通过红外光谱(IR)、质谱(MS)、核磁共振氢谱(1H NMR)及单晶X射线衍射对其结构进行了表征。通过紫外-可见吸收光谱和荧光光谱研究了其发光性能。结果表明, 在CH2Cl2溶液中, 化合物Dt-1在349 nm激发光作用下在390~470 nm区域有较强的双荧光发射行为, 两个最大发射峰分别为403 nm和422 nm; 化合物Dt-2在372 nm激发光作用下在400~480 nm区域即紫色和蓝色光区有较强的双荧光发射行为, 最大发射峰分别为430 nm和440 nm; 化合物Dt-3在349 nm激发光作用下在418 nm处有最强的荧光发射; 化合物Dt-4在371 nm激发光作用下于436 nm处有最强的荧光发射。由于双噻吩共轭结构中引入的吸/给电子基团增加了π电子的流动性以及共轭程度, 增强了分子间的相互作用力, 振动弛豫现象以及斯托克斯位移(Stokes shifts)的产生引发的能量损失导致最大吸收峰向长波方向移动。

用坩埚下降法生长了Tm3+掺杂浓度分别为0.8%和1.3%的优质大尺寸LiYF4(LYF)单晶体。测定了单晶体的吸收光谱、发射光谱, 并计算了3F4能级的的最大吸收截面与最大发射截面分别为0.25×10-20 cm2和0.33×10-20 cm2。以796 nm半导体激光器(LD)为泵浦源, 采用短平板腔结构模型研究了Tm掺杂LYF单晶体在~2.0 μm波段的激光输出性能。当LD泵浦功率为3.4 W时, Tm∶YLF晶体的最大激光输出功率为1.88 W, 相应的光光转换效率和斜率效率分别为51%和57%。使用半导体可饱和吸收镜抽运Tm掺杂LYF单晶体, 测试其在~2.0 μm波段连续波锁模激光运转。当最大抽运功率为3.5 W时, 获得锁模激光的最大平均输出功率为200 mW, 此时锁模脉冲宽度~20 ps, 对应的重复频率63.86 MHz, 中心谱线为1.88 μm。结果表明, Tm掺杂LYF单晶体是一种具有较好物理性能的~2 μm波段超快激光晶体。

过氧化氢(H2O2)是活性氧类的主要标志物, 它与多种疾病如神经退行性疾病密切相关。本文设计了一种检测细胞内过氧化氢的荧光过氧化氢酶纳米传感器。这种纳米传感器由含多聚赖氨酸、辣根过氧化物酶的生物相容性外壳和含有氧探针的多孔聚合物基质的氧传感核组成。辣根过氧化物酶(HRP)催化H2O2生成氧, 进而通过荧光氧气探针进行探测。该酶纳米传感器的流体动力学尺寸约为270 nm, zeta电位为-18 mV, 具有良好的生物相容性。它的荧光比率和时间分辨荧光均对H2O2高度敏感。此外, 该纳米传感器可以被活细胞有效地摄取, 从而可以用TRF 方式灵敏地检测细胞内的H2O2浓度。结果表明, 本实验制备的酶纳米传感器有望进一步用于监测H2O2相关的细胞生化反应, 如氧化应激。

通过0.18 μm标准CMOS工艺设计并制备了一种MOS结构的硅基发光器件。该光源器件在一个n阱中设计了两个相同的PMOS, 分别利用p+源/漏区与n阱形成的p+n结进行反偏雪崩击穿而发射可见光。测试结果显示, 该光源器件在正偏状态下的开启电压为0.8 V, 在6 V的反偏电压下发生雪崩击穿, 能够发出黄色的可见光, 发光频谱范围为420~780 nm。本文对比了0.5 μm和2 μm两个不同发光窗口宽度的测试结果, 发现该光源器件在更小发光窗口具有更高的发光强度和更好的发光均匀度, 该特征与发光器件的反向电流密度分布和光在金属电极间的反射有关。研究成果在片上硅基光电集成回路中具有一定的应用价值。

基于主振荡功率放大器结构的高功率掺Tm3+光纤激光器是2 μm波段高功率光纤激光器的主要实现形式, 掺Tm3+光纤放大器(Thulium-doped fiber amplifier,TDFA)热效应管理的研究对于其输出激光功率的不断提升具有重要意义。本文主要对TDFA热效应管理的泵浦方式优化方面进行理论研究, 利用龙格库塔法以及牛顿迭代法求解不同泵浦方式下TDFA的稳态速率方程, 并根据热传导方程, 模拟掺Tm3+光纤(Thulium-doped fiber,TDF)温度沿径向和轴向的分布。结合遗传算法理论, 研究了分段泵浦方式, 经过参数优化, 在功率为5 W 的2 020 nm输入信号光、总功率为1 000 W的793 nm激光泵浦、TDF吸收系数为3.1 dB/m条件下, 将总长度为11 m的TDF分为2.4, 2, 2, 2, 2.6 m的5段进行泵浦, 得到放大信号激光输出功率为284.5 W、斜率效率为28.45%、光纤外包层边界最高温度为86.28 ℃且温度总体分布均匀。与传统前向泵浦、双端泵浦方式下的TDFA相比, 其热效应有明显改善。

根据测试数据, 分析模拟了铜铟镓硒(CIGS)薄膜光伏组件中电池的活性区域、非活性区域与封装材料之间界面的光学特性对组件的短路电流产生的影响。根据组件结构建立了光学模型, 从光学模拟结果分析组件内的反射与吸收。发现电池前电极透明导电氧化物薄膜(TCO)与封装材料界面的反射不可忽视, 提出通过在透明导电氧化物薄膜与封装材料之间添加减反射层, 并以MgO作为膜层材料以降低活性区域的界面反射; 模拟了在非活性区域一次反射光角度与二次反射的关系, 由此分析了非活性区域反射面倾角、镜面反射与漫反射比例对光利用的影响。模拟结果显示, 活性区域的减反层结构可降低透明导电氧化物薄膜表面的反射率1%以上, 而通过在非活性面积区域制备光反射结构, 理论上能够利用非活性区域光照超过50%。

在4-inch蓝宝石图形衬底上, 基于InGaN/GaN多量子阱结构制备了蓝光LED芯片, 并通过与钇铝石榴石黄色荧光粉(YAG∶Ce3+)结合, 封装成白光LED器件。简要介绍了外延生长和芯片工艺及封装流程, 并对材料特性及器件性能进行了表征。外延片表面形貌良好, 蓝光外延片荧光光谱(PL)显示峰值波长为442 nm。对封装后白光芯片进行电学特性测试, 得出其开启与限流电压分别为2.7 V与3.6 V。此外, 电致发光光谱(EL)含有两个主要的发光峰, 分别是440 nm的蓝光峰以及540 nm的黄绿光峰, 而随着注入电流的增加, 蓝光峰位先蓝移后红移, 黄绿光峰位先红移后蓝移再红移。本文中相关的芯片制备及表征技术将对固态照明研究起到一定的促进作用。

采用水热法制备了荧光硅量子点。通过透射电镜、红外光谱、X射线光电子能谱、光致激发和发射光谱及荧光衰减曲线等手段对样品形貌及发光性能进行了研究。通过生菜种植实验, 研究了荧光硅量子点作为叶面光肥提高生菜对光能利用效率的效应。实验结果表明, 透射电镜测得所制备的荧光硅量子点尺寸均一, 平均尺寸为3.6 nm。傅里叶红外变换光谱及X射线光电子能谱表明该量子点表面具有丰富的含氧官能团, 因而具有优异分水散性。光致荧光光谱表明, 该量子点的最佳激发和发射峰位分别为385 nm和450 nm, 且不具备激发波长依赖特性。荧光硅量子点与生菜的离体叶绿体复合后发现,荧光强度下降但激发态寿命基本不变, 同时, 复合物对2,6-二氯酚靛酚的还原速率提高。以上结果表明, 荧光硅量子点与叶绿体复合时产生了内滤效应, 生菜的叶绿体吸收了硅量子点发射的蓝光用于光合作用, 从而使生菜的干鲜重均得到了显著性提高。通过叶绿素荧光成像实验进一步验证了喷施荧光硅量子点叶面光肥时生菜的光合作用速率得到了提高。

双色激光脉冲激励气体等离子体产生太赫兹波是得到高强度宽频带太赫兹波的重要方法, 本文利用光电流模型研究了该方法中激光能量对产生太赫兹波的影响。理论计算表明, 太赫兹波随激光能量的增大而增强, 而太赫兹波的频谱结构不受激光能量的影响。分析了双色激光能量影响太赫兹波强度的原因, 并利用自由电子浓度和电子电流密度诠释了该影响的内在物理机制。该研究为提高太赫兹辐射强度提供了一种有效的途径。