碳量子点(CQDs)具有宽波段的光吸收(吸收延伸至可见光区域)、优良的光学稳定性、制备成本低、合成原料来源广以及良好的生物相容性等优点,已经在生物成像、光电催化、以及荧光传感等多个领域被广泛应用。目前的研究已经表明改变粒径和掺杂可以调控CQDs的荧光性能。但是,改变粒径和掺杂调控CQDs荧光性能的机制尚不明确,严重制约了CQDs应用领域的进一步拓宽。本学位论文针对这一问题,着重研究了粒径和氮原子掺杂对CQDs荧光性能的影响,揭示了粒径和氮原子掺杂调控CQDs荧光性能的机制。研究结果可为通过改变CQDs的粒径和掺杂实现荧光性能的可控调节提供理论依据。主要研究内容如下:1.阐明了CQDs的粒径对其荧光性能影响的机制。以柠檬酸为前驱体,采用一步水热法合成出粒径分布为1–5 nm的CQDs并分离出四种不同粒径的CQDs;透射电镜(TEM)表明四种CQDs的平均粒径分别为～1.5、2.3、2.8、3.4 nm;这一结果得到电泳,2D激发?发射荧光光谱以及质谱分析等的进一步证明;傅里叶红外光谱(FT–IR)、拉曼光谱(Raman)以及X射线光电子能谱(XPS)等表明合成的CQDs具有相似的含氧官能团、碳氧比和表面缺陷。紫外可见吸收光谱(UV–Vis spectrum)显示两个比较明显的强吸收峰,和一个弱的吸收峰,它们的峰位置分别约为220 nm、300 nm、360 nm;其中220 nm附近的吸收峰可以归属为sp~2区域C=C的π–π*电子跃迁;随着CQDs粒径的增大,这个吸收峰的位置逐渐发生红移,表明粒径增大,会导致π–π*带隙变窄;300 nm处的吸收峰归属为表面官能团的n–π*电子跃迁,其位置几乎不受粒径的影响,但其强度会因为粒径的增大而增加;360 nm附近弱的吸收峰则是由于粒子间相互作用引起的。荧光激发光谱(PLE)显示在这四种不同粒径CQDs中还存在n–s*电子跃迁。PLE光谱还表明,当CQDs的粒径较小时(小于2.8 nm),π–π*电子跃迁占主导地位;当粒径变大后(大于2.8 nm),n–π*电子跃迁将占主导地位。并且随着粒径增大π–π*电子跃迁引起的特征激发带会发生红移。荧光发射光谱(PL)研究表明CQDs中存在两个荧光发射中心,分别为423–443 nm和463 nm;位于423?443 nm之间的荧光发射峰可归结于n–s*和π–π*电子跃迁,其位置随粒径增大而发生红移;位于463 nm的荧光发射峰可归结于n–π*电子跃迁,其位置几乎不会随粒径增大发生变化;表明粒径变化主要影响π–π*电子跃迁。理论计算和电化学分析进一步证明了CQDs粒径变化会引起能带结构和π–π*带隙的变化。2.阐明了氮原子掺杂对CQDs荧光发射性能的影响机制。以六亚甲基四胺作为氮源,柠檬酸作为碳源,通过一步水热法合成了CQDs及氮掺杂的碳量子点(NCQDs);TEM表明两者具有相似的粒径分布,平均粒径为～2.9±0.2 nm;FT–IR、Raman以及XPS等光谱结果表明两者具有相似的含氧官能团、碳氧比和表面缺陷。UV–Vis光谱均显示3个特征吸收峰。218 nm附近的最大吸收峰归属为sp~2区域的π–π*电子跃迁。掺杂后,发生了2 nm的蓝移;300 nm附近的吸收峰被归属为sp~2区域边缘的π–π*电子跃迁和表面基团主导的n–π*电子跃迁。掺杂后,发生了10 nm的蓝移;360 nm附近的吸收峰归属为表面区域的电子跃迁(由粒子间相互作用引起)。掺杂后,发生了6 nm的蓝移。表明掺杂对300 nm附近的吸收峰影响最大。研究两者在不同质子化和非质子化溶剂中的PLE光谱发现除了表面基团主导的n–π*电子跃迁,sp~2区域边缘的π–π*电子跃迁也会对300 nm附近的峰有贡献。PLE光谱同样显示了掺杂后激发带的蓝移并且350 nm附近的激发带强度最大,表明表面基团和sp~2边缘是主导的荧光发射中心。同时在NCQDs的PLE光谱中还出现了一个额外的激发带,对应氮原子上未成对电子的跃迁。PL光谱和荧光寿命揭示了在CQDs和NCQDs中存在两种荧光发射中心。位于430 nm附近的发射带对应sp~2区域的荧光发射中心,掺杂后,发生了微弱的蓝移;位于452 nm和465 nm的发射带对应表面基团、sp~2边缘和表面区域共同主导的荧光发射中心,掺杂后,发生了明显的蓝移,表明掺杂对第二个荧光发射中心影响更大。此外,通过理论计算揭示了PL发射的蓝移是由于吡啶氮的掺杂,通过改变了电荷的分布导致轨道能量变化和带隙变宽,这与紫外光谱和电化学分析得到的结论是一致的。