基于納米等離激元光子學(xué)的光伏器件及光催化過(guò)程研究

【摘要】：表面等離激元光子學(xué)利用了光子學(xué)和電子學(xué)在納米尺度結(jié)合在一起的奇特性質(zhì),在當(dāng)今納米光子學(xué)研究領(lǐng)域中分外引人注目。由于貴金屬納米顆粒具有表面等離激元共振效應(yīng),在光、熱以及高能態(tài)電子的傳遞過(guò)程中扮演著納米源的角色,在光催化以及光伏器件領(lǐng)域具有巨大的潛在應(yīng)用價(jià)值。本論文就是以表面等離激元納米體系為基礎(chǔ),研究了牽涉到納米等離激元共振的能量/電荷傳遞過(guò)程,并將結(jié)果直接應(yīng)用到基于表面等離激元共振的有機(jī)光伏電池及光催化過(guò)程研究。本論文的工作主要包括以幾個(gè)部分： 1.設(shè)計(jì)并合成了一種核殼結(jié)構(gòu)等離激元納米體系,通過(guò)調(diào)節(jié)殼層厚度能夠精確、長(zhǎng)距離的控制給體于受體間距(貴金屬納米顆粒與染料分子)。利用瞬態(tài)、穩(wěn)態(tài)熒光光譜,對(duì)兩者之間能量傳遞過(guò)程進(jìn)行研究。發(fā)現(xiàn)隨著金納米顆粒和染料分子間距的減小,染料分子非輻射躍遷速率增大,輻射躍遷速率減小,熒光猝滅效率和給體-受體間距的關(guān)系不再符合傳統(tǒng)的FRET (fluorescence resonance energy transfer, FRET)或NSET (nanometal surface energy transfer, NSET)模型,而應(yīng)以新的函數(shù)關(guān)系來(lái)描述。 2.組裝了以聚-3己基噻吩(poly(3-hexylthiophene, P3HT)以及富勒烯衍生物([6.6]-phenyl-C61-butyric acid methyl ester, PCBM)為活性層的倒置有機(jī)光伏電池,并且將包裹有二氧化硅絕緣層的核殼結(jié)構(gòu)納米顆粒(Au@SiO2)及裸金納米顆粒(Au NPs)分別雜在電池的活性層中。Au@SiO2核殼結(jié)構(gòu)摻雜的有機(jī)光伏電池與裸金納米顆粒摻雜的電池相比,光電流密度有比較明顯的增大,歸因于Au@SiO2核殼結(jié)構(gòu)在保持金納米顆粒LSPR效應(yīng)的同時(shí),有效的減小了裸金納米顆粒的金屬介導(dǎo)損耗效應(yīng)。但是我們也注意到可能由于Si02絕緣層不利于電荷傳輸,Au@SiO2核殼結(jié)構(gòu)摻雜的有機(jī)光伏電池效率總體上并沒(méi)有超越裸金納米顆粒摻雜的電池,表明在利用表面等離激元共振效應(yīng)增強(qiáng)有機(jī)光伏電池效率時(shí),各種影響因素必須均衡考慮。 3.通過(guò)一步法合成碳量子點(diǎn),并將其作為貴金屬納米顆粒的載體,利用光照的方式在碳量子點(diǎn)的表面沉積上一定數(shù)量的貴金屬納米顆粒。由于碳量子點(diǎn)的模板效應(yīng)以及貴金屬納米顆粒之間存在的等離激元耦合效應(yīng),將其應(yīng)用于光催化反應(yīng)降解有機(jī)物或者光裂解水等方面。 【關(guān)鍵詞】：納米等離激元光子學(xué) 局域表面等離激元共振 光伏電池 光催化 碳量子點(diǎn)
【學(xué)位授予單位】：蘭州大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類(lèi)號(hào)】：O644;O643.3
【目錄】：

• 摘要3-5
• Abstract5-10
• 第一章 緒論10-35
• 1.1 納米等離激元光子學(xué)基本原理10-19
• 1.2 納米等離激元光子學(xué)的研究意義19-22
• 1.2.1 電子信息產(chǎn)業(yè)面臨的挑戰(zhàn)19-20
• 1.2.2 環(huán)境及能源產(chǎn)業(yè)的壓力20-22
• 1.3 納米等離激元光子學(xué)在光伏電池中的應(yīng)用22-26
• 1.4 納米等離激元光子學(xué)在光催化中的應(yīng)用26-33
• 1.4.1 光催化過(guò)程及其機(jī)理26-32
• 1.4.2 碳量子點(diǎn)與納米等離激元結(jié)合的光催化32-33
• 1.5 本論文選題思路33-35
• 第二章 核殼結(jié)構(gòu)調(diào)控“納米金-染料分子”及其能量傳遞過(guò)程的研究35-48
• 2.1 引言35-36
• 2.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程36-38
• 2.2.1 實(shí)驗(yàn)原料36-37
• 2.2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備37
• 2.2.3 構(gòu)建核殼等離激元納米體系37-38
• 2.3 結(jié)果與討論38-47
• 2.3.1 金核二氧化硅殼的表征38-41
• 2.3.2 Au@SiO_2@FITC的穩(wěn)態(tài)及瞬態(tài)熒光光譜41-44
• 2.3.3 距離控制下的Au@SiO_2@FITC體系輻射躍遷性質(zhì)的研究44-47
• 2.4 本章小結(jié)47-48
• 第三章 核殼表面等離激元結(jié)構(gòu)在有機(jī)光伏電池中的應(yīng)用48-61
• 3.1 引言48-49
• 3.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程49-51
• 3.2.1 實(shí)驗(yàn)原料49-50
• 3.2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備50
• 3.2.3 等離激元納米結(jié)構(gòu)的合成50-51
• 3.2.4 聚合物電池的組裝51
• 3.3 結(jié)果與討論51-59
• 3.3.1 等離激元納米結(jié)構(gòu)的表征51-52
• 3.3.2 太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)52-54
• 3.3.3 IPCE的表征54-56
• 3.3.4 J-V特性表征56-57
• 3.3.5 絕緣層包裹Au NPs的利與弊57-59
• 3.4 本章小結(jié)59-61
• 第四章 一鍋法制備高性能熒光碳量子點(diǎn)及其在活體成像中的應(yīng)用61-80
• 4.1 引言61-62
• 4.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程62-64
• 4.2.1 實(shí)驗(yàn)原料62
• 4.2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備62
• 4.2.3 碳量子點(diǎn)的合成62-63
• 4.2.4 細(xì)胞成像實(shí)驗(yàn)63
• 4.2.5 MTT法細(xì)胞活性測(cè)試63
• 4.2.6 實(shí)時(shí)細(xì)胞分析系統(tǒng)(Real-Time Cellular Electronic Sensing,RT-CES)檢測(cè)細(xì)胞生長(zhǎng)過(guò)程63-64
• 4.2.7 斑馬魚(yú)飼養(yǎng)以及胚胎實(shí)驗(yàn)64
• 4.2.8 致畸及致死情況分析64
• 4.3 結(jié)果與討論64-78
• 4.3.1 碳量子點(diǎn)的制備及表征64-69
• 4.3.2 碳量子點(diǎn)的光譜性質(zhì)表征69-73
• 4.3.3 碳量子點(diǎn)的光穩(wěn)定性及細(xì)胞成像中的應(yīng)用73-77
• 4.3.4 碳量子點(diǎn)在斑馬魚(yú)活體成像中的應(yīng)用77-78
• 4.4 本章小結(jié)78-80
• 第五章 碳量子點(diǎn)@銀納米復(fù)合納米材料光催化性能研究80-90
• 5.1 引言80-81
• 5.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程81-83
• 5.2.1 實(shí)驗(yàn)原料81
• 5.2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備81
• 5.2.3 碳量子點(diǎn)的制備81-82
• 5.2.4 碳量子點(diǎn)負(fù)載銀納米顆粒82
• 5.2.5 光催化實(shí)驗(yàn)82-83
• 5.3 結(jié)果與討論83-89
• 5.3.1 碳量子點(diǎn)的制備及表征83-88
• 5.3.2 光催化降解染料88-89
• 5.4 本章小結(jié)89-90
• 第六章 結(jié)論與展望90-92
• 參考文獻(xiàn)92-110
• 在學(xué)期間的研究成果110-111
• 致謝111

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