量子点复合材料发光实现纳秒纳米尺度应力测量研究

Quantum dots (QD), with small diameters and tunable optical properties, are potential candidates for stress/strain sensing in the interior of materials with resolution of nanosecond and nanometer. However, the multi-scale structure nature of the QD composite and the coupling effect between mechanical and optical properties make the calibration of relations between the input stress/strain and the output optical responses rather complicated. Consequently, the research will focus on the relationship among the microstructure, stress state and emission properties of QD composite. By using methods combining theoretical analysis, experiment measurement and multi-scale simulations, we are going to investigate the effect of microstructure and mechanical properties on the emission behavior of QDs, the mechanical interaction between QDs and matrix materials and, the effect of QD concentration and mechanical properties of matrix materials on the optical response of QD composite. The objective of the study is to reveal the mechanism underlying stress state-dependent emission behavior of QDs, construct the relationship between stress-state and optical response of QD composite and finally, provide theoretical fundamentals for developing QD composite-based stress sensing materials. The research belongs to a combination of mechanical and optical fields; it will provide an effective tool for high speed and resolution stress sensing in the study of dynamic mechanical behavior of military and micro/nano materials.

量子点因具有尺寸小、发光可调等特点，其复合材料有望成为一种新型压力敏感材料，实现对材料内部的纳秒纳米尺度应力测量。但量子点复合材料的多尺度微观结构以及力学光学性能的耦合，导致其内部应力状态与发光特性之间的关系难以确定。申请项目将针对量子点复合材料的微观结构、应力状态和发光特性三者关系，采用实验、理论和多尺度计算方案，研究表面结构和加载方式对量子点能带结构的影响、量子点与基体材料的力学相互作用、不同加载条件下量子点浓度及基体材料力学性质对发光响应的影响，以期揭示应力状态影响量子点发光响应的机理和规律、建立发光特性与应力状态之间的定量关系、为量子点复合材料压力传感器的设计提供理论基础。申请项目的研究属于力学和光学的交叉，将为基于量子点纳米结构的光传应力测量研究提供参考和方法、并为军工和微/纳米材料的动态力学性能研究提供高速、高分辨应力测量手段。

量子点因具有尺寸小、发光可调等特点，其复合材料有望成为一种新型压力敏感材料，实现对材料内部的纳秒纳米尺度应力测量。但量子点复合材料的多尺度微观结构以及力学光学性能的耦合，导致其内部应力状态与发光特性之间的关系难以确定。本项目针对这一问题，搭建了量子点的压力实验系统，实验研究了CdTe量子点、CuInS2量子点、CuInS2带ZnS壳量子点有受压-发光性能变化规律及其影响因素。实验表明，量子点的压力敏感系数与尺寸相关；激光功率、量子点外部结构、加载条件等都会对量子点的力学发光特性带来影响，并给出了不同量子点发光波长随压力的变化关系；研究表明带壳的量子点具有更好的发光稳定性和力学稳定性，更适合用于应力测量。为确定量子点在不同应变状态下的发光特性和机理，采用第一原理研究了不同尺寸CdTe量子点的能带结构，计算得到了不同应变状态下量子点能隙比与直径和应变的函数关系，并从轨道能量和波函数等值面电子云分布图解释了能隙的变化原因。针对量子点复合材料的多尺度特性，建立联合经验紧束缚方法、分子动力学方法以及有限元方法多尺度计算框架，计算结果表明，该框架能有效考虑量子点复合材料中量子点与基体材料的相互作用、量子点在外载作用下的不同应变状态、量子点原子结构的变化，以及量子点变形起引的发光蓝移行为。基于多尺度计算结果，为基于量子点复合材料设计压力传感器提出了参考建议。在多尺度算法方面，发展了基于分子统计热力学多尺度计算框架的跨离散/连续介质区的耦合算法及程序，为跨尺度方法来研究量子点复合材料的力学行为奠定了基础。项目研究成果可为纳秒纳米尺度应力测量的新型传感器设计提供参考和方法，特别是在材料选择、结构设计、实验现象分析、应力-发光规律、多尺度计算及方法、理论分析等方面提供参考。