论文部分内容阅读
三价稀土离子掺杂的无机纳米晶和全无机金属卤化物钙钛矿量子点由于其优异的发光性能、可控稳定的合成方式以及多样化的结构设计在高功率激光、光通讯、照明与显示、节能环保、高精度传感等领域受到广泛关注,成为目前科学研究的热点材料。然而,以荧光粉或胶体溶液形式存在的无机纳米晶或钙钛矿量子点很难与固态的光学器件兼容,大大限制了它们在先进光学平台上的进一步发展与应用。近年来,将发光性能优异的纳米晶与钙钛矿量子点复合到透明的无机或聚合物基质中并制备成固态光学器件受到了广泛关注,这一手段不仅可以大大扩宽纳米晶与量子点的应用范围,还可以有效提高钙钛矿量子点的稳定性,开发先进的光功能材料及应用。相比块体或二维材料,一维光纤作为一种不可或缺的光子平台,有着传输速率高,体积小,集成度高等独特优点,在高精度光学传感、激光、照明等领域都有着非常广泛的应用。因而将纳米晶或钙钛矿量子点与光纤平台集成以应用它们优异的光学性能是非常具有吸引力的研究方向。本文结合了基质材料和掺杂材料的特点,开发了LiYF4纳米晶和CsPbBr3量子点复合聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)聚合物光纤的制备工艺,成功拉制出LiYF4@PMMA和CsPbBr3@PMMA复合光纤。这些制备策略并不局限于以LiYF4纳米晶与CsPbBr3量子点作为荧光中心,也不局限于以PMMA作为光纤基质,而是有着广阔的适用性,因此也为其它光功能材料复合聚合物光纤的研究铺平了道路。同时,我们也对这些复合光纤的光学性质以及应用前景进行了探究,对于新型复合光纤的应用开发具有一定的指导作用。本论文取得的主要成果如下:(1)通过“水热法”制备了直径为150 nm左右的单分散LiYF4纳米晶,探究了LiYF4复合PMMA块体的制备工艺,最终采用“溶液法”制备出发光均匀、透过率较好的LiYF4@PMMA块体。通过分析不同稀土离子掺杂的LiYF4纳米晶在复合PMMA前后的荧光光谱变化,观察到了LiYF4纳米晶在PMMA基质中发光蓝移的现象。将“溶液法”制备得到的LiYF4@PMMA块体加工成纤芯预制棒,利用PMMA管作为包层,采用“管棒法”拉制出LiYF4@PMMA聚合物光纤,光纤的芯/包层界面分明,波导结构良好。通过温度传感测试,发现纳米晶发光随着温度的升高而减弱,并对此进行机理解释,为LiYF4@PMMA光纤在传感领域的应用打下基础。(2)通过“热注法”制备了直径为10 nm左右的CsPbBr3量子点,利用“热聚合法”将量子点复合到PMMA中,对CsPbBr3@PMMA块体的荧光光谱和寿命曲线进行分析,发现CsPbBr3量子点在复合到PMMA中后,荧光光谱蓝移,荧光寿命变长。通过对CsPbBr3@PMMA块体在水溶液和紫外光照下的荧光稳定性进行测试,发现样品在水溶液中浸泡7天或在365 nm紫外灯下照射48 h均不会对其发光强度有明显影响,证明PMMA网络结构非常紧密,可以有效包裹CsPbBr3量子点。此外,通过研究不同温度对CsPbBr3@PMMA块体的荧光光谱的影响,发现随着测试温度从30oC提升至80oC,样品荧光强度逐渐变弱,半高峰宽逐渐变宽,而峰值位置则没有明显变化规律,并对此进行机理解释。最后,通过研究了不同压力对CsPbBr3@PMMA块体荧光光谱的影响,发现随着压力从0 MPa升高至86 MPa,样品的发光强度同样逐渐减弱,并对此进行机理解释。(3)通过探究CsPbBr3量子点复合PMMA聚合物光纤的制备工艺,采用“毛细管法”制备出CsPbBr3@PMMA聚合物光纤。与传统的光纤制备方法“管棒法”相比,该方法可以在80℃的低温下制备光纤,从而避免CsPbBr3量子点在复合光纤的过程中出现荧光热猝灭,使量子点在复合到光纤中后仍保持优异的光学性能;与量子点复合玻璃光纤常用的制备方法“原位析晶法”相比,该方法是将具有优异光学性能的胶体量子点直接复合到光纤中,其中量子点的发光性能高度可控,可以通过改性掺杂、结构修饰来满足不同的光学性能需求,应用更加灵活。采用“毛细管法”制备得到的CsPbBr3@PMMA聚合物光纤表面光滑,芯/包层界面明显,波导结构完整,发光明亮且均匀。这种基于毛细管的新型制备方法,为制备高质量量子点复合聚合物光纤开辟了一条新的道路。此外,利用CsPbBr3量子点的发光强度随着温度/压力变化的特性,本文还探究了CsPbBr3@PMMA聚合物光纤在温度传感和压力传感方面的应用,证明了其巨大的应用潜力。