将喹啉和丹磺酰胺两种荧光基团同时引入配体L1, 利用L1与锌离子自组装构筑三核锌有机-金属大环化合物H-1(比率荧光探针), 实现了对生物分子谷胱甘肽(GSH)的有效识别。利用紫外光谱、荧光光谱、1H NMR、ESI-MS等表征方法研究了H-1对生物分子谷胱甘肽(GSH)的光谱识别作用。紫外滴定光谱表明, 当向H-1中加入谷胱甘肽分子后, 425 nm处的吸收峰强度降低, 320 nm处的吸收峰强度增大, 等吸收点为355 nm。利用320 nm处的吸光度值模拟计算平衡常数, lgK为4.03±0.11, 说明H-1与GSH形成了1∶1的包合物。荧光光谱分析表明, 当向H-1中加入GSH后, 以340 nm光激发, 波长为513 nm处丹磺酰胺的荧光强度下降, 并且发生红移, 而396 nm处喹啉基团的荧光强度增大。利用喹啉基团与丹磺酰胺基团荧光发射峰强度变化的比值可以精准检测谷胱甘肽分子, 检测限可达到2.5×10-6 mol·L-1。

为获得高量子产率的碳点, 以柠檬酸为碳源, 苯二胺的3种同分异构体为氮源, 采用两步溶剂热法制备了氮掺杂荧光碳点。利用透射电子显微镜(TEM)、紫外-可见吸收光谱 (UV-Vis)、荧光光谱、红外光谱 (FTIR)、X射线光电子能谱(XPS)对样品进行表征, 并考察了碳点的细胞毒性和体外生物成像。实验结果表明: 3种高量子产率碳点(Y=52%, 60.4%, 53.2%)的粒径均一, 具有较好的分散性, 平均尺寸分别为4.5, 5.3, 5.2 nm。碳点表面含有羟基、羧基、胺基等基团, 在紫外光激发下均能发出明亮的蓝色荧光, 并具有稳定的荧光性能。细胞实验表明: 3种碳点具有较好的生物相容性, 能够快速进入细胞并成功应用于细胞的荧光成像。

设计合成了一种A-π-D-π-A型的双光子荧光染料3,6-双(4-乙烯基苯腈)-9-乙基咔唑, 测试了其在二氯甲烷(DCM)、乙酸乙酯(EA)、乙醇(EtOH)、乙腈(ACN)、二甲亚砜(DMSO)和磷酸缓冲盐溶液(PBS)等不同溶剂中的紫外吸收光谱、单光子及双光子荧光光谱。化合物3,6-双(4-乙烯基苯腈)-9-乙基咔唑在紫外吸收光谱中存在两个相似的特征吸收带并呈现出复杂的溶剂化效应, 在DMSO中具有最大荧光量子产率(86.02%), 其相应的活性吸收截面为12.56 GM。在双光子荧光成像方面, 染料分子具有优良的细胞膜通透性并且在双光子荧光显微镜下呈现出明亮的绿色荧光, 表现出较好的双光子荧光成像性能。这些数据表明, 化合物3,6-双(4-乙烯基苯腈)-9-乙基咔唑可用作一种较为理想的双光子荧光标记染料。

采用熔盐法制备了不同煅烧温度的NaY(MoO4)2∶Er3+荧光粉材料, 样品的晶体结构与微观形貌由X射线衍射仪和场发射扫描电镜测得。Er3+掺杂的 NaY(MoO4)2 纳米晶体的斯托克斯荧光发射光谱是在不同煅烧温度下测得的。NaY(MoO4)2∶Er3+荧光粉材料的两个能级2H11/2-4I15/2 和 4S3/2-4I15/2跃迁的发射强度比随煅烧温度的增加而减小。NaY(MoO4)2∶Er3+荧光粉材料的温度传感特性依赖于Er3 的两个热耦合能级2H11/2-4I15/2 和 4S3/2-4I15/2 的发射强度。研究表明, 在一个相对大的传感温度范围(303～573 K), 600 ℃煅烧的样品的温度传感灵敏度比900 ℃煅烧的样品高, 样品的温度传感灵敏度随煅烧温度的增加而减小, 600 ℃煅烧的样品的温度传感灵敏度为 1.36×10-2 K-1 , 比900 ℃煅烧的样品高76.6%。最后, 解释了基于不同煅烧温度的温度传感灵敏度的物理机制。

制备了Y2SiO5∶Pr3+上转换发光材料, 首次实现了太阳光激发下的UVC(220~280 nm)紫外上转换发射。为检测紫外(UVC)上转换发光材料的灭菌效果,从土壤中筛选出铜绿假单胞菌并进行培养。为了便于观察, 使用Syto9/PI染色剂对细菌着色。实验结果显示: 经过太阳光照射后, 附着上转换材料的细菌的死亡率比没有上转换材料的细菌有明显的上升。这说明在太阳光的照射下, 上转换材料能够将太阳光转化为紫外线并有效灭菌。

研究了半导体纳米粒子(SNPs)-金属纳米颗粒(MNPs)耦合导致的SNPs的发光强度猝灭和荧光寿命增强潜在的物理机制, 并用传统Fster共振能量传递(FRET)理论描述和分析实验结果。光致发光光谱(PL)和时间分辨光谱观测表明, SNPs的PL强度发生了明显的猝灭, 荧光寿命从17.7 ns到30.8 ns延长了近2倍。这种杂化纳米结构表现出不同于杂化前各独立组分的新的协同相互作用光学性质。胶体化学使杂化SNPS-MNP纳米结构中SNPS和MNP构成一个新的单元称为等离激子激元(Plexciton)或激子等离子激元(Excimon), 这已在一系列杂化结构中被确认。基于泵浦-探测技术的飞秒瞬态吸收(TA)的实验结果证实了这种从激子-等离激元到等离激子的转换。实验结果分析表明, 传统Fster共振能量传递理论不能很好地描述实验结果, 在金属存在的情况下, 还需要对该理论进一步调整和改进。

基于飞秒激发Z扫描实验技术, 研究了氮化镓薄膜和不同铝掺杂含量的掺铝氮化镓(以下简称铝镓氮)薄膜的超快非线性光学响应特性。在开孔Z-scan测试中, 纯GaN晶体薄膜表现出典型的双光子吸收特性, 双光子吸收系数为3.5 cm/GW, 且随着激发光强的增大而逐渐减小。随后测试了不同铝掺杂含量的AlxGa1-xN薄膜的非线性吸收系数。结果表明, 随着铝掺杂摩尔分数的提高(0, 19%, 32%, 42%), 非线性吸收系数逐渐减小(18, 10, 6, 5.6 cm/GW)。结合半导体非线性吸收理论分析, AlxGa1-xN薄膜材料的非线性过程主要是双光子吸收主导非线性响应物理过程。实验结果与半导体双光子吸收过程Sheik-Bahae理论符合得很好。

采用孤立实激发技术, 对铕原子4f76p3/2ns (n=7, 8)自电离态的光谱进行了系统的研究, 同时是首次在不同激光偏振组合下进行的研究。首先, 用前两束激光分步将铕原子从基态4f76s2 经中间4f76s6p态激发至4f76sns里德堡态, 然后再用第三束激光通过离子实4f76s+→4f76p+3/2的跃迁将其进一步激发至4f76p3/27s自电离态或4f76p3/28s自电离态。对铕原子4f76p3/2ns (n=7, 8)自电离态复杂的光谱分别给出了详细的解释, 从中我们可以获得一些重要的光谱信息, 比如自电峰的能级位置和线宽等, 同时还可以观察到收敛于不同离子限的自电离系列之间的组态相互作用。最后, 通过比较不同激光偏振组合下的自电离光谱, 确定了一些自电离态的总角动量的值。

基于密度泛函理论, 采用第一性原理方法, 计算了氧化石墨烯纳米带的电荷密度、能带结构和分波态密度。结果表明, 石墨烯纳米带被氧化后, 转变为间接带隙半导体, 带隙值为0.375 eV。电荷差分密度表明, 从C原子和H原子到O原子之间有电荷的转移。分波态密度显示, 在导带和价带中C-2s、2p, O-2p, H-1s电子态之间存在强烈的杂化效应。在费米能级附近, O-2p态电子局域效应的贡献明显, 对于改善氧化石墨烯纳米带的半导体发光效应起到了主要作用。

以P型<100>硅作为衬底, 采用射频磁控溅射技术, 在室温下制备了氮掺杂氧化铟锡锌薄膜晶体管(ITZO TFTs), 研究了氮气流量对氧化铟锡锌薄膜晶体管结构、光学、电学特性以及稳定性的影响。实验结果表明: 在不同氮气流量条件下制备的氧化铟锡锌薄膜均为非晶态, 在可见光范围内的平均透过率均在90%左右, 光学带隙数值在3.28~3.32 eV之间变化。在氮气流量为4 mL/min时制备的ITZO TFTs, 有源层与栅极电介质界面处的界面态密度(Nmaxs)仅为4.3×1011 cm-2, 场效应迁移率( μFE )为18.72 cm2/(V·s), 开关比(Ion/off)为106, 亚阈值摆幅(S)为 0.39 V/dec, 电学性能最优。栅极正偏压应力测试结果表明, 该器件具有最强的稳定性。因此, 适量的氮掺杂可有效地实现器件氧空位的钝化, 降低器件的界面态密度, 提高ITZO TFTs的电学性能及稳定性。

研究了CH3NH3PbI3薄膜在光浴条件下的光致发光量子效率演化行为。在光浴过程中, CH3NH3PbI3薄膜的光致发光量子效率表现为先增大再减小的变化趋势。发光动力学测量实验表明, 在光浴过程中, CH3NH3PbI3薄膜的载流子复合寿命与光致发光量子效率具有相同的变化趋势, 即先增大再减小。根据实验结果可以推断, 光浴引发CH3NH3PbI3薄膜发生两种物理过程, 分别使其光致发光量子效率升高和降低。两种过程共同决定了CH3NH3PbI3薄膜在光浴条件下的光致发光量子效率演化行为。

利用C60和CuPc形成有机半导体异质结作为阳极ITO修饰层, 制备了高效绿色磷光有机发光二极管(OLEDs)。与常规MoO3阳极修饰层相比, C60(5 nm)/CuPc(25 nm)面异质结修饰器件的最大电流效率和外量子效率(EQE)提高了12%和11%, 分别为60 cd/A和16.8%; 而CuPc∶C60 (30 nm, 50%)体异质结修饰器件则提高了26%和27%, 分别为67 cd/A和19.3%。高的器件效率一方面归因于C60与CuPc异质结界面处积累的电荷会在电压的作用下形成高效的电荷分离和空穴注入, 另一方面归因于异质结具有吸收绿光光子形成光生载流子的光伏效应。利用CuPc∶C60体异质结修饰阳极的器件由于具有更高效的电荷积累、更合适的空穴传输性、更平衡的载流子复合和更好的光伏特性, 器件效率要比C60/CuPc更优。研究表明, 这种基于C60与CuPc 的有机半导体异质结可作为优越的ITO阳极修饰层。

采用旋涂工艺与蒸镀工艺结合的方法制备了PBDT-TT-F∶PCBM体异质结红光探测器, 研究了活性层的混合比例和厚度、退火温度等因素对器件光电特性的影响。实验结果表明: 活性层PBDT-TT-F∶PCBM的混合质量比为1∶1.5、厚度为150 nm、退火温度为100 ℃、时间为15 min时制备的器件性能最佳, 在波长为650 nm、功率为6.6 mW/cm2的光照下, 探测器光电流密度可达到0.85 mA/cm2, 光响应度达到128 mA/W。

用分子束外延在GaAs (001)衬底上生长了两个量子阱结构的霍尔器件, 一个是没有掺杂的量子阱结构, 一个是Si-δ掺杂的量子阱结构。研究了霍尔器件的面电子浓度和电子迁移率与温度的关系。结果表明, 在300 K下, Si-δ掺杂的量子阱结构的电子迁移率高达25 000 cm2·V-1·s-1, 并且该器件输入电阻和输出电阻较低。同时, Si-δ掺杂的量子阱结构霍尔器件的敏感度好于没有掺杂的量子阱结构霍尔器件。

利用空间合束技术和光纤耦合技术将9只波长为915 nm单管芯半导体激光器高效率耦合进光纤中, 制备出具有高功率、高亮度输出光纤耦合模块。应用ZEMAX光学软件进行模拟仿真后通过实验验证, 光纤耦合模块可以通过芯径105 μm、数值孔径0.22的光纤输出大于110 W的功率, 并且亮度达到8.64 MW/(cm2·sr)。

电致伸缩系数反映了压电材料本身的固有属性, 是衡量电致伸缩特性的重要参数之一。基于逆压电效应, 准确测量微小长度变化量可实现电致伸缩系数的高精度测量。现有光学测量方法基于直接检测光强分布获取微小长度变化量, 但受光源功率稳定性和环境扰动制约, 测量精度不高。为此, 本文采用多光束激光外差技术融合多普勒振镜正弦调制技术, 加载微小长度变化量于外差信号频率中, 研究测量微小长度变化量的外差信号理论模型及外差信号频率与电致伸缩系数间数学模型, 实现外差信号频率检测取代直接强度检测, 消除光源稳定性与环境扰动影响, 并且采用频率解调可以同时获取多个微小长度变化量, 对这些微小长度变化量加权平均, 最终可以进一步提高电致伸缩系数的测量精度。以此为依据, 通过理论仿真研究待测样品的电致伸缩系数, 结果表明: 该方法的相对测量误差仅为0.28%。与现有技术相比, 测量精度提高了一个数量级。

为提高氮化镓(GaN)基发光二极管(LED)的光提取效率, 基于等效介质理论设计了底面100%占空比、半径为320 nm的正方形孔径纳米半球阵列。利用时域有限差分法(FDTD)对正方形孔径纳米半球阵列结构底面占空比、半径对光提取效率的影响进行了仿真计算研究。仿真结果表明: LED p-GaN表面刻蚀半径为320 nm、底面占空比为100%的正方形孔径纳米半球阵列的光提取效率最优。采用电子束曝光配合热回流技术和ICP刻蚀完成正方形孔径纳米半球阵列的GaN基LED制作及测试实验。结果表明: 在20 mA和150 mA工作电流下, 有微纳结构的LED较无微纳结构的参考样品的发光效率分别提高4.67倍和4.59倍, 计算结果与实验结果比较一致, 说明加入方形孔径纳米半球阵列可以有效提高LED光提取效率。

为实现45°入射情况下K9基底上双波段截止分色的特性(截止带波长0.5~0.68 μm、0.73~0.79 μm, 通带波长0.83~0.87 μm), 采用F-P型的带通滤光片膜系结构为初始结构, 与常规设计理念相比有效减少了膜层的数量, 薄膜的高折材料采用TiO2, 低折材料采用SiO2, 以实现双波段截止的目的。膜层的设计层数为23层, 总厚度为2.278 μm, 借助电子束蒸发物理气相沉积法实现了镀制, 利用分光光度计对镀制样品的透过率进行评估。测试结果显示, 截止区(0.5~0.68 μm和0.73~0.79 μm)平均截止深度分别达到了12.57%和20.39%, 通带0.83~0.87 μm波段内的平均透过率达到了91.35%, 样品测试曲线与设计相比, “蓝移”将近10 nm。薄膜样品基本实现了设计目标, 具有双波段截止、高通带透过率的特性。在环境测试中: 薄膜表现出显著的稳定性, 膜层间匹配度适宜。该双波段截止分色滤光片能够应用在一些极端的情况下。

在pH 7.4的生理条件下, 以溴化乙锭(EB)作为荧光探针, 利用荧光光谱、紫外-可见吸收光谱、共振散射光谱法结合盐效应和DNA熔点(Tm)实验研究了柯里拉京(Cor)与小牛胸腺DNA分子之间的相互作用机制。实验结果表明, Cor静态猝灭DNA-EB体系的荧光。Cor与DNA作用后, 其特征吸收峰强度发生减色效应; 与DNA作用导致Cor在480.5 nm处的共振散射峰增强, 并在330.2 nm处出现新共振散射峰。盐效应对Cor与DNA分子相互作用的影响较小。与Cor作用引起DNA的Tm值升高5.5 ℃。由此推断, Cor与DNA相互作用的主要方式为嵌插, 两者间形成了超分子体系。通过计算获得Cor与DNA间结合常数(KA)为5.82×103 L/mol (298 K)、2.47×104 L/mol (310 K), 它们之间的作用为熵驱动的自发、吸热过程, 疏水作用力是主要的非共价作用方式。

液晶透镜是自由3D显示的新器件, 其原理是利用基于向列相液晶指向矢随外加电场作用发生变化的光电特性。本文提出一种简易准确的透镜参数设计和优化方案。以单圆孔结构的液晶透镜为例, 利用光学软件ZEMAX和焦距缩放法对圆孔结构的液晶透镜的参数加以设计并优化。分析液晶透镜的像差, 评价成像质量。结果表明, 优化后的液晶透镜的像差明显减小, 3.5°视场下, 弥散斑均方根半径RMS值由248.118 μm减小到62.192 μm, 为原来的25.1%; 光学调制传递函数MTF值明显改善。最后实验测试验证了液晶透镜阵列的衍射光斑亮度及清晰度均显著提高。