矽量子點受激發光和感測技術的研究

《矽量子點受激發光和感測技術的研究》是依託電子科技大學,由張志紅擔任醒目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：矽量子點受激發光和感測技術的研究
• 依託單位：電子科技大學
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：張志紅

項目摘要

不同尺寸矽量子點在雷射輻照下會發出不同波長的螢光，且矽量子點的表面懸掛鍵與其它原子團、分子作用形成的局域態會導致螢光峰強度增加。相比II-VI族化合物和有機染料，矽量子點毒性低，發光光譜窄，發光效率高，光化學性能穩定。這些優良的光學性質為發展新型螢光探針提供了可能，並有望套用於生物樣品微流檢測。本項目將研究：1、利用FTIR譜、EPR譜和微擾理論計算方法確定矽量子點表面化學鍵和局部結構，並通過開發矽量子點光纖氣敏感測器在揮發性有機氣體中的回響研究矽量子點的受激發光機制；2、研究基於矽量子點微環諧振腔感測器，探索感測機制。建立回音壁模式 (WGMs) 的仿真模型和數值計算方法，最佳化感測器的結構數據提高靈敏度，降低探測極限。本項目的研究和開發為研究矽量子點的發光機制提供理論基礎，為研製對環境友好，低成本，高靈敏的光學微腔感測器及其在環境監測和生物樣品微流檢測等方面奠定堅實理論。

結題摘要

本項目較系統地研究了矽基氣體液體感測器。對於矽團簇，我們藉助高斯09軟體，採用密度泛函B3LYP方法和6-31G（d）高斯型分子軌道基組最佳化基態和激發態的結構和頻率，通過模擬給出不同表面結構的矽量子點的結構和頻率、電子的最高占據分子軌道與最低未占據分子軌道之間的能隙以及電子態密度圖，從而分析光激發的矽量子點在不同氣氛中的表面結構和電子能級的變化以及它們的吸收譜和螢光譜的增減和峰位的漂移。另外我們也做了矽量子點對不同濃度有機氣體和不同碳鏈長度的有機氣體的檢測分析。最佳化結構模擬結果表明，Si-OH和Si=O團簇的結合能最大，因此結構也更穩定。Si=O結構的能量帶隙Eg(ELUMO-EHOMO)相比於Si-H結構的變化也是最大的。我們對各種可能的表面結構做了UV-vis光譜分析，表明Si=O結構的光譜在780nm左右，相對於Si-H結構紅移了一段波長, 相應的能量減小了2.92eV,這種發射的波長和實驗中2-3 nm的矽量子點的發射波長几乎一致。當然，矽量子點顆粒的大小還會進一步影響發射波長。另外，隨著有機氣體碳鏈的增長，飽和氣體的蒸汽壓降低，這也影響螢光峰的增強的快慢，從而可以反映外界氣體濃度的變化。對於基於矽量子點的微環諧振腔，我們採用時域有限差分方法模擬分析了腔內的光波模式的移動，劈裂和線寬的展寬，並建立了它們和此微環諧振腔感測器的折射率感測和顆粒感測的聯繫。結果表明共振波長隨腔內物質折射率增大而增大，當腔內折射率為1.48時，靈敏度為28.5 nm/RIU。考慮顆粒對光波的散射和吸收，顆粒的大小和數量也由光場的模式劈裂狀況所決定。