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以PMMA为基底的PbSe量子点光纤材料制备及研究

作　者: 王若栋
导　师: 程成
学　校: 浙江工业大学
专　业: 光学
关键词: 硒化铅量子点甲基丙烯酸甲酯激光脉冲烧蚀法共混法原位聚合法
分类号: TB383.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

量子点是一种准零维半导体纳米晶体,在光纤通信领域,直径为(4~7nm)的PbSe量子点在传统的光通信波段(1.2~1.8μm)处有明显的吸收和发射谱。相比于现在广泛应用于通信领域的掺铒光纤放大器,量子点光纤放大器具有:宽波带、高增益、低噪声等众多优点,因此它将更适用于宽波带的波分复用通信。但量子点表面能过高,使得它极易团聚,而团聚将极大的影响量子点的发光特性。将PbSe量子点掺杂到构成塑料光纤的主要材料聚甲基丙烯酸甲酯(Polymethyl Methacrylate,PMMA)中,制备出PbSe/PMMA量子点光纤材料(纳米复合材料)。一方面,可以利用PMMA大分子聚合物分子链之间的排斥作用,有效防止PbSe量子点的团聚;另一方面PMMA材料为塑料光纤的主要成分,具有很高的可加工性,为今后使用PbSe/PMMA纳米复合材料构成量子点塑料光纤放大器奠定了基础。本文分别通过激光脉冲烧蚀法、水相共混法、油相原位聚合法制备出了PbSe/PMMA纳米复合材料。采用X射线衍射(XRD)、透射电镜(TEM)、扫描电镜(SEM)对PbSe/PMMA纳米复合材料进行了表征,并用紫外可见近红外分光光度仪和荧光光谱仪分析了PbSe/PMMA纳米复合材料的吸收谱和荧光发射谱。结果表明:(1)利用激光脉冲烧蚀法制备PbSe/PMMA纳米复合材料时,当激光能量密度增加到2.8 J/cm2时,开始有量子点生成,量子点尺寸约为13nm,生成的量子点尺寸随入射激光能量密度的提高而呈减小的趋势。当激光能量密度增加到4.3J/cm2时,量子点尺寸减小到6nm。(2)利用水相共混法制备的PbSe/PMMA纳米复合材料中的PbSe量子点平均粒径为5 nm,其团聚效应要明显弱于纯水相PbSe量子点。该复合材料在室温下经过120天搁置之后,无团聚现象发生。(3)利用油相原位聚合法制备出的PbSe/PMMA纳米复合材料中PbSe量子点平均尺寸随PbO与Se反应温度的增加而增加,在1064nm激励光照射下,观测到PbSe/PMMA纳米复合材料有强荧光辐射,其辐射峰的半高全宽为100~300nm,峰值波长1431nm ~2365nm。峰值波长与量子点尺寸密切相关,且辐射与吸收波长峰值存在15~72nm的斯托克斯频移。最后本文对制备PbSe量子点掺杂PMMA光纤的工艺进行了初步的探索,提出了如提拉法和模板法等多种可行方案,并分析了这些方法的优劣,为今后制备高性能的量子点掺杂光纤提供了一定的指导和借鉴作用。

全文目录

摘要  3-5
ABSTRACT  5-12
第一章绪论  12-23
  1.1 量子点  12-16
    1.1.1 量子点概述  12
    1.1.2 量子点的性质  12-14
    1.1.3 量子点的光学性能  14-15
    1.1.4 量子点的应用  15-16
  1.2 量子点光纤放大器  16-18
    1.2.1 光纤放大器  16-17
    1.2.2 量子点光纤放大器（QDFA）的提出  17
    1.2.3 量子点光纤放大器（QDFA）的工作原理  17-18
  1.3 量子点光学材料  18-20
    1.3.1 玻璃基量子点光学材料  18-19
    1.3.2 PMMA 基量子点光学材料  19-20
  1.4 本论文的选题与思路  20-23
第二章聚合物基纳米复合材料的研究  23-34
  2.1 纳米复合材料的定义和分类  23-25
  2.2 聚合物基纳米复合材料体系及其优点  25-26
  2.3 聚合物基纳米复合材料的制备方法  26-30
    2.3.1 溶胶凝胶法  26-27
    2.3.2 层间插入法  27
    2.3.3 共混法  27-28
    2.3.4 原位聚合法  28-29
    2.3.5 分子的自组装及组装  29-30
    2.3.6 辐射合成法  30
  2.4 聚合物基纳米复合材料的性能与特点  30-34
    2.4.1 聚合物基纳米复合材料的基本性能  30-31
    2.4.2 聚合物基纳米复合材料的特性  31
    2.4.3 聚合物基纳米复合材料的功能性  31-32
    2.4.4 聚合物基纳米复合材料的热力学稳定性  32-34
第三章脉冲激光烧蚀法制备PbSe/PMMA 纳米复合材料  34-44
  3.1 引言  34
  3.2 实验材料及仪器  34-35
    3.2.1 KrF 准分子激光器  34-35
  3.3 PbSe/PMMA 纳米复合材料的制备  35-36
  3.4 测试及表征手段  36-39
    3.4.1 X 射线衍射仪(XRD)  37-38
    3.4.2 高分辨透射电镜(TEM)  38-39
  3.5 实验结果  39-41
    3.5.1 XRD 表征  39-41
    3.5.2 TEM 表征  41
  3.6 分析与讨论  41-43
    3.6.1 脉冲激光能量密度对于PbSe 量子点尺寸的影响  41-42
    3.6.2 PbSe 量子点尺寸对荧光发射谱的影响  42-43
  3.7 本章结论  43-44
第四章水相共混法制备PbSe/PMMA 纳米复合材料  44-52
  4.1 引言  44
  4.2 实验材料及仪器  44-45
  4.3 PbSe/PMMA 纳米复合材料的制备  45-46
    4.3.1 水相PbSe 纳米晶体的制备  45
    4.3.2 PbSe/PMMA 纳米复合材料的制备  45-46
  4.4 测试及表征手段  46-47
    4.4.1 扫描电子显微镜(SEM)  46-47
  4.5 实验结果  47-50
    4.5.1 XRD 表征  47
    4.5.2 TEM 表征  47-49
    4.5.3 SEM 分析  49-50
  4.6 分析与讨论  50-51
  4.7 本章结论  51-52
第五章油相原位聚合法制备PbSe/PMMA 纳米复合材料  52-62
  5.1 引言  52
  5.2 实验  52-53
    5.2.1 实验材料及仪器  52
    5.2.2 PbSe 量子点的制备  52-53
    5.2.3 PbSe/PMMA 量子点光纤材料制备  53
  5.3 测试及表征手段  53-54
    5.3.1 紫外可见近红外分光光度仪  53-54
    5.3.2 荧光光谱仪  54
  5.4 结果与分析  54-60
    5.4.1 TEM 分析  54-56
    5.4.2 近红外吸收谱分析  56-57
    5.4.3 荧光发射谱分析  57-59
    5.4.4 PbO 与Se 反应温度与量子点尺寸的关系  59-60
  5.5 本章结论  60-62
第六章 PbSe/PMMA 纳米复合材料拉制光纤探索  62-71
  6.1 塑料光纤  62-64
    6.1.1 塑料光纤种类  62
    6.1.2 传统塑料光纤的制造方法  62-63
    6.1.3 塑料光纤的发展  63-64
  6.2 PMMA 材料  64-67
  6.3 PbSe 量子点掺杂的PMMA 光纤制备  67-71
    6.3.1 提拉法  67-68
    6.3.2 模板法  68
    6.3.3 压差法  68-71
第七章总结与展望  71-74
  7.1 全文总结  71-72
  7.2 研究展望  72-74
参考文献  74-80
致谢  80-81
硕士期间发表论文及发明专利  81

以PMMA为基底的PbSe量子点光纤材料制备及研究

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