摘 要

目前的碳量子点（CQDs）具有粒径小、抗光漂白性好、荧光稳定性高、发射光谱可调、表面易功能化、毒性低及生物相容性好等优点。因此被广泛应用于各种传感器、生物成像、生物催化、发光二极管、光电器件等方面。

本文通过水热法制备碳量子点，并对制备出的碳量子点进行TEM、UV-Vis、PL测试，得到相关数据并分析，得到碳量子点的相关性能。所得到的数据成果对荧光碳点的制备和应用研究有着重要的指导意义。

论文主要研究了碳量子点的各种制备方法，并对水热法进行实际实验；另外研究了对不同前驱体通过水热法得到样品性能的测试，从而总结不同前驱体的水热合成法以及应用前景，以及初步探讨碳量子荧光可调性的机理。

研究结果表明：使用尿素和柠檬酸水热反应生成的柠嗪酸作为碳量子点合成的前驱体，具有成本低，制备周期短，合成条件简便，合成后粒径小（小于2nm）的特点；而使用邻苯二胺作为碳量子点合成的前驱体，在光学性能上，具有优秀的激发发射波长范围，在可见光500-600nm趋于有较好的发射峰值，虽然相较于柠嗪酸作为前驱体合成的碳量子点成本略高，但相对于其他合成法依旧有着合成简便的优势；最后，对于碳量子点的荧光性，我们初步推论是由于碳量子点掺杂的有机体官能团的差异导致碳量子点在荧光性能上的差异。

本文的特色在于：研究并论证了分别以柠嗪酸和邻苯二胺作为前驱体，以及通过水热合成法制备掺杂氮元素的碳量子点的优缺点，初步探讨了碳量子点的荧光可调性，并为今后研究寻找更好材料制备碳量子点提供了借鉴。

关键词：碳量子点；水热合成法；荧光纳米材料；邻苯二胺；柠嗪酸

Abstract

The current carbon quantum dots (CQDs) has the advantages of small particle size, good photobleaching resistance, high fluorescence stability, adjustable emission spectrum, easy surface functionalization, low toxicity and good biocompatibility. Therefore, it is widely used in the production of various sensors, biological imaging, biocatalysis, light-emitting diodes, led and so on.

In this paper, the carbon quantum dots were prepared by hydrothermal method, and the prepared carbon quantum dots were tested by TEM, UV-Vis and PL. the relevant data and analysis were obtained, and the related properties of the carbon quantum dots were obtained. The data obtained are of great significance for the preparation and application of fluorescent carbon dots.

In this paper, various preparation methods of carbon quantum dots are studied, and the hydrothermal method is used for practical experiments; in addition, the hydrothermal method is used to test the properties of samples obtained from different precursors, so as to summarize the hydrothermal synthesis method and application prospect of different precursors, and preliminarily explore the mechanism of tunability of carbon quantum fluorescence.

The results show that: As the precursor of the synthesis of carbon quantum dots, the citric acid produced by hydrothermal reaction of urea and citric acid has the characteristics of low cost, short preparation period, simple synthesis conditions and small particle size (less than 2nm). However, using o-phenylenediamine as the precursor of the synthesis of carbon quantum dots, it has excellent excitation emission wavelength range in optical properties, and tends to have a better emission peak in the visible light of 500-600nm. Although the cost of the synthesis of carbon quantum dots using o-phenylenediamine as the precursor is slightly higher than that using citric acid as the precursor, it still has the advantage of simple synthesis compared with other synthesis methods；Finally, for the fluorescence properties of carbon quantum dots, we preliminarily conclude that the difference in fluorescence properties of carbon quantum dots is caused by the difference of organic functional groups doped with carbon quantum dots.

The characteristics of this paper are as follows: the advantages and disadvantages of the preparation of nitrogen doped carbon quantum dots by hydrothermal synthesis with citric acid and o-phenylenediamine as precursors are studied and demonstrated, and the fluorescence tunability of carbon quantum dots is preliminarily discussed, which provides a reference for the future research to find better materials to prepare carbon quantum dots.

Key Words：carbon quantum dots; hydrothermal synthesis; luminescent nanomaterials；O-phenylenediamine; citric acid

目 录

第1章 绪论 1

1.1课题研究的背景、目的和意义 1

1.2 荧光碳点的特性及其应用 1

1.2.1碳量子点的基本结构 1

1.2.2碳量子点的基本性质 3

1.2.3碳量子点的应用 3

1.3碳量子点的修饰 3

1.4碳量子点的合成方法 4

1.4.1自上而下的碳量子点合成方法 4

1.4.2自下而上的碳量子点合成方法 5

1.4.3水热法合成碳量子点 5

1.5碳量子点产率（QY）的计算 5

1.6课题研究内容以及预期目标 5

第2章 碳量子点的合成与测试 6

2.1 实验试剂与仪器 6

2.1.1 实验试剂 6

2.1.2 实验仪器 6

2.1.3 原料的选取 6

2.2实验部分 7

2.2.1反应前躯体的制备 7

2.2.2水热合成法制备碳量子点样品 7

2.3主要表征手段 8

2.3.1紫外可见光吸收光谱法（UV-vis） 8

2.3.2荧光光谱仪（PL） 9

2.3.3高倍透射电子显微镜法（HRTEM） 9

第3章 两种碳量子点的对比研究 10

3.1碳量子点结构形貌的分析研究 10

3.2 碳量子点发光性能的分析研究 13

3.2.1紫外可见吸收光的分析研究 13

3.3.2荧光发光特性的分析研究 14

第4章 结论 16

参考文献 17

致 谢 19

附录1 20

附录2 21

第1章 绪论

1.1课题研究的背景、目的和意义

量子点（quantum dot）在三个方向上都具有纳米结构，其本质是把激子三个空间方向上都束缚住的结构，这样的束缚是由于静电势、两种不同半导体材料的界面、半导体的表面，这三种的一种或多种结合而导致的。在上个世纪最后一个年代量子点刚刚被发现时，人们首先习惯称其为：“人造原子”、“超晶格”、“量子点原子”或“超原子”。量子点的波函数在空间上存在于多个晶格周期中，同时也存在于量子点中。

自从三十年前至今，碳纳米材料始终是一个热门的研究方向。富勒烯，石墨烯和其它碳纳米材料的发现者都获得了诺贝尔奖。除了上述两者之外，碳纳米管在应用和实验研究方面受到很多人欢迎。2004年，美国卡罗来纳大学Scrivens研究小组的研究人员在琼脂糖电泳电弧放电制备的单壁碳纳米管纯化过程中发现了具有荧光特性的碳纳米材料。2006年，来自美国克莱姆森大学的科学家Sun等人通过热压石墨粉和粘合剂混合物制备碳靶，然后在激光烧蚀后获得没有荧光的碳纳米颗粒。颗粒回流并被硝酸氧化后，用peg1500n钝化，得到具有荧光特性的碳靶碳纳米粒子是第一个提出碳点概念的纳米粒子，这是一项突破性研究。由于碳族的其他成员具有较高的应用价值使得碳点一旦问世就得到了广泛的研究和关注。