新型表面功能化稀土纳米晶的可控合成及光学性能研究

Uniform and dispersed rare earth nanocrystals are synthesized via sol-gel and hydrothermal processes. Moreover, to optimize the functionalization and luminescent properties, we utilized organic molecule with high UV-absorbing properties and functional groups, surface functionalized rare earth nanocrystals are prepared by a ligand exchange route. Through nanocrystals and functional ligand synergistic reaction, fluorescence properties of rare earth nanocrystals are controlled. The structure，dimension，crystal lattice，dispersed phase and luminescent properties of functional nanocrystals are studied with IR , H-NMR, XRD, TEM, UV and PL. The effect of ion-type, concentration, size of nanocrystals, ligand structure and coordination modes on fluorescence properties of functionalized compound nanocrystals are explored further. We analyse the charge transfer and energy transfer between nanocrystals and ligands , the optimum processes of rare erarh nanocrystals which have excellent optical properties are found. Their luminescence mechanisms are investigated. The simple method is characteristic in this work. The method is used to synthesize functionalized rare earth nanocrystals with controllable optical properties. The research establishes a new way in optical function materials.

拟采用溶胶-凝胶法、水热法合成粒径均一的单分散的稀土纳米晶。同时，为了优化稀土纳米晶的功能性和光学性能，将具有高紫外吸收能力且含有官能团的有机小分子配体，利用配体交换法合成具有反应活性的表面功能化稀土纳米晶，通过稀土纳米晶与功能配体二者光功能的协同作用，实现稀土纳米晶的光学性质的调控。运用红外光谱、核磁共振氢谱、X-射线衍射、透射电镜、光致吸收光谱、光致发光光谱等手段考察功能化稀土纳米晶的结构、尺寸、晶型、分散性和光学性质等，探究稀土离子种类、浓度、纳米晶尺寸大小、配体分子的结构、配位方式等对功能复合纳米晶光学性能的贡献，研究稀土纳米晶和其表面的配体之间发生电荷转移或能量转移，得到合成具有优异光学性能的表面功能化稀土纳米晶的最佳工艺，并进一步探究其发光机理。本项目的特色在于通过一种简单易行的方法实现了具有可控光功能性质的稀土纳米晶复合材料的制备，为今后光功能材料的研究应用开辟了新的途径。

纳米晶由于具有优异的光学性质而在生物标记、光电装置、光催化等领域具有重要的应用。而稀土掺杂纳米晶可以提高纳米材料的物理及化学性质，合成具有优异光学或光催化性能的稀土掺杂纳米晶仍然是一项有挑战性的工作。而为了实现稀土掺杂纳米晶的功能性、可操作性，对稀土掺杂纳米晶表面功能化更是国内外研究热点。我们分别采用化学湿法、高温油相法、水热法、溶胶-凝胶法等合成稀土掺杂纳米晶。（一）、研究了反应物浓度、反应温度、稀土掺杂量、pH值等因素对稀土纳米晶的结构、形貌、粒径、分散性、光学性能以及催化性能的影响，合成了粒径均一、单分散的发光性能优异或具有光催化活性的稀土掺杂纳米晶，并得到了稀土掺杂纳米晶的最佳工艺。（二）研究了稀土掺杂纳米晶的发光机理和光催化机理。（三）合成了具有高紫外吸收能力且含有不饱和键的有机小分子配体8-羟基喹啉衍生物（MQ）和高分子聚合物Poly（MMA-co-MQ），通过配体交换法合成表面功能化的稀土掺杂纳米晶。研究了稀土离子种类、浓度、纳米晶尺寸大小、配体分子的结构、配位方式等对功能复合纳米晶光学性能的影响。研究稀土纳米晶和其表面的配体之间发生电荷转移或能量转移机制，得到合成具有优异光学性能的表面功能化稀土纳米晶的最佳工艺，并进一步探究了其发光机理。（四）合成了SiO2包覆的稀土掺杂纳米晶，包覆后的纳米晶的发光效率和稳定性显著提高，而且有效的减少了重金属离子的泄露，降低稀土掺杂纳米晶的生物毒性，探究了其发光机理。我们合成的稀土掺杂纳米晶及其表面功能化的稀土掺杂纳米晶在生物标记、光电器件、光催化等领域具有重要的应用价值。本项目的研究取得了一系列的研究成果，发表及已录用论文共6篇，出版半导体纳米微粒及稀土掺杂纳米晶的制备与表面功能化专著1本。