以Li2CO3、Nb2O5、TiO2和Eu2O3为原料, 采用固相法制备Eu3+掺杂的5Li2CO3-1Nb2O5-5TiO2(LNT)发光介质陶瓷。通过密度、XRD和荧光光谱测试, 对0.2%(质量分数)Eu2O3掺杂的陶瓷片进行性能表征。结果表明: 1 120 ℃烧结致密的陶瓷片, 其晶相结构为“M-相”与Li2TiO3两相复合构成; 在400 nm的近紫外光激发下, 样品有较强的橙光(592 nm)和红光(615 nm)发射, 分别属于Eu3+的5D0→7F1的磁偶极跃迁和5D0→7F2的电偶极跃迁。

先采用一步溶剂热法和水热法制备了碳包覆的Ag@Fe3O4核壳型磁性纳米粒子, 然后通过表面氨基化改性后与巯基乙酸修饰的CdTe量子点反应, 将量子点键合到磁性微球上, 最后在其表面包覆上一层二氧化硅壳层, 制备出具有荧光增强的Ag@Fe3O4@C-CdTe@SiO2磁性荧光复合材料。实验结果表明, 该纳米粒子的平均粒径大约为150 nm, 磁饱和强度为224 A/g (22.4 emu/g), 在室温下具有较好的磁性能。其中Ag@Fe3O4@C-CdTe磁性荧光纳米粒子的荧光强度大于Fe3O4@C-CdTe, 其主要原因是内核为45 nm的 Ag纳米粒子具有表面等离子体共振作用, 能够使其表面或附近的量子点荧光得到增强。

采用温和的溶剂热法制备较强红光发射的NaErF4∶Yb,Gd上转换纳米晶, 控制Gd3+的掺杂浓度实现了晶相和尺寸可控以及上转换荧光的增强。X射线衍射谱(XRD)、透射电子显微镜图像(TEM)和上转换发射光谱结果分析表明, Gd3+掺杂可以有效地促进NaErF4纳米晶的晶相由立方相向六角相转变, 并且减小纳米粒子的尺寸。随着Gd3+掺杂浓度的上升, 上转换荧光强度明显增大。当Gd3+摩尔分数为25%时, 样品的上转换荧光强度达到最大。同时, 研究了在980 nm 近红外激光激发下, Yb3+与Er3+间有效的能量传递以及上转换发光机制。

利用巯基丙酸包覆的InP@ZnS 量子点(QDs)与Dured构建了一种检测DNA的荧光探针。在该探针中, 以环境友好型带负电的InP@ZnS量子点为荧光团, 与带正电的Dured通过静电结合, 构建了InP@ZnS QDs/Dured纳米荧光探针。通过荧光共振能量转移(FRET)机理, 量子点荧光被猝灭; 当DNA存在时, Dured与DNA的特异性结合使Dured从InP@ZnS QDs表面脱附, FRET过程被打断, InP@ZnS QDs荧光恢复, 以荧光“关-开”方式检测DNA。该探针检测DNA的线性范围为2.0～275.0 ng·L-1, 检测限为1.0 ng·L-1, 并可用于模拟生物生理条件下的DNA检测。

采用溶胶-凝胶法制备了Na2Y1-xMg2 (VO4)3∶xEu3+ (x=0.15~0.75)系列自激活荧光粉。用XRD、SEM、光致发光光谱和荧光衰减曲线分别对其结构、形貌和发光性能进行表征。XRD结果显示样品为纯石榴石结构, 其中Eu3+取代Y3+; SEM照片显示样品为粒径大小在0.3~1 μm范围内不规则的光滑球状颗粒; 光谱分析表明, Na2YMg2 (VO4)3作为自激活发光基质可以被200~400 nm紫外光有效激发, 发出源于VO3-4电荷迁移跃迁的波长范围为400~700 nm的宽谱带绿光。掺杂Eu3+后, 在340 nm紫外光激发下同时出现了VO3-4的电荷迁移带和Eu3+的特征光谱。不同浓度Eu3+掺杂的光谱和荧光衰减曲线表明, 存在VO3-4和Eu3+之间的能量传递。

以3,4,9,10-苝四甲酸二酐(PTTC)为原料, 采用真空气相沉积-分子自组装法制备了有机纳米材料, 通过扫描电镜、透射电镜、红外光谱、荧光光谱和差热分析表征所得产物。用吐温20增溶PTTC纳米材料, 发现L-赖氨酸对该分散系的荧光具有较强的增敏作用, 据此建立了L-赖氨酸的纳米荧光化学传感新方法。体系的荧光变化与赖氨酸浓度呈线性关系, 线性范围为7.00×10-4～5.40×10-7mol/L, 检出限为8.39×10-8mol/L。进一步研究发现, PTTC纳米结构使赖氨酸的循环伏安图电流差减小, 有望据此制作赖氨酸纳米电化学传感器。

研究了γ射线电离辐射效应对商用CMOS有源像素传感器(APS)性能参数的影响, 着重分析了量子效率、转换增益、暗电流、坏点和脉冲颗粒噪声等参数。研究结果表明: 当受到1 000 Gy辐射后, APS失去工作能力, 无信号输出或像素灰度值仅为0, 110, 255 DN。60Co γ射线的离位截面约为10-25 cm2(0.1 b)。当剂量率低于58.3 Gy/h且辐照时间较短时, 辐射对量子效率及转换增益无影响, 坏点产生数为0, 总剂量效应使3T-APS的本底噪声升高到4.62 DN但对4T PPD APS几乎无影响。脉冲颗粒噪声引起的各灰度值像素数量分布呈泊松分布, 并与剂量率正相关。

用PS(聚苯乙烯)微球作为模板制备出TiO2三维多孔有序结构(TiO2-3DOM), 在此基础上, 着重探究了银纳米颗粒的引入方式对整个TiO2三维多孔/Ag复合结构SERS性能的影响。研究表明, 通过银镜反应得到的TiO2三维多孔/Ag复合结构是一种灵敏性强的基底, 对罗丹明(R6G)分子的检测极限可低至10-10 mol/L。

Ag 纳米粒子的形貌对InGaN/GaN 多量子阱(MQWs)的光致发光(PL)效率有着显著影响。本文采用离子束沉积(IBD)技术将Ag沉积在InGaN/GaN MQWs上, 然后通过快速热退火处理制备Ag纳米粒子。通过改变Ag的沉积时间获得了具有不同Ag纳米粒子形貌的样品。用原子力显微镜对各样品的Ag纳米粒子形貌和尺寸进行了表征, 并且测试了吸收谱、室温和变温PL谱及时间分辨光致发光(TRPL)谱。结果表明: 随着Ag沉积时间的延长, 所得Ag纳米粒子粒径增大, 粒子纵横比先增大后减小且吸收谱峰红移。由于不同形貌的Ag纳米粒子在入射光作用下产生的局域表面等离激元(LSPs)与MQWs中激子耦合强度不同, 光发射能力也不同, 与没有Ag纳米粒子的样品相比, 沉积时间为15 s的样品室温PL积分强度被抑制6.74倍, 沉积时间为25 s和35 s的样品室温PL积分强度分别增强1.55和1.72倍且峰位发生红移, 沉积时间为45 s的样品室温PL积分强度基本没有变化。TRPL与变温PL的测试结果证明, 室温PL积分强度的改变是由于LSPs与MQWs中的激子耦合作用引起的。纵横比大且吸收谱与MQWs的PL谱交叠大的Ag纳米粒子能够更好地增强InGaN/GaN MQWs的发光。

通过金属有机化学气相淀积(MOCVD)和半导体后工艺技术制备了852 nm半导体激光器, 它在室温下的阈值电流为57.5 mA, 输出的光谱线宽小于1 nm。测试分析了激光器的输出光功率、阈值电流、电压、输出中心波长随温度的变化。测试结果表明, 当温度变化范围为293~328 K时, 阈值电流的变化速率为0.447 mA/K, 特征温度T0为142.25 K, 输出的光功率变化率为0.63 mW/K。通过计算求得理想因子n为2.11, 激光器热阻为77.7 K/W, 中心波长漂移速率是0.249 29 nm/K, 实验得出的中心波长漂移速率与理论计算结果相符。实验结果表明, 该半导体器件在293~303 K的温度范围内, 各特性参数能够保持相对良好的状态。器件如果工作在高温环境, 需要添加控温设备以保证器件在良好状态下运行。

利用FDTD方法研究具有表面微纳结构氮化镓基倒装薄膜LED芯片的光萃取效率。通过优化表面结构并研究了器件的光萃取效率随p-GaN层厚的变化。研究发现, 具有表面光子晶体和六棱锥结构的器件的光萃取效率最大值比无表面微结构器件分别提高了56%和97%。尽管两种表面结构都能有效提高器件的光萃取效率, 然而采用光子晶体的方案对p-GaN厚度和腔长要求极为苛刻。采用六棱锥结构则不仅可以获得更高的光萃取效率, 并且还将大大降低实验上材料外延生长及器件制备的难度。

分别在直流偏置和交流偏置下, 对大功率GaN基LED的电学和光学特性进行了研究。结果显示, 通过改变靠近p型层的量子垒(也就是最后一个量子垒)中的In组分可以调控有源区中的载流子分布。有源区内积累的电子会引起负电容效应。而通过降低有源区量子垒的势垒高度, 可以改善LED中载流子传输特性, 并实现载流子复合速率及通信调制带宽20%的提高。这个工作将有助于理解GaN基LED中载流子分布对频率特性的影响, 并为设计适用于可见光通信的大功率高速LED奠定基础。

制作了基于KMnF3∶Yb3+,Er3+纳米晶材料的工作波长655 nm的聚合物平面光波导放大器。材料的吸收光谱表明, KMnF3∶Yb3+,Er3+纳米晶在980 nm附近有很强的吸收。在980 nm激光的激发下, 由于Er3+和Mn2+能级之间的能量传递, KMnF3∶Yb3+,Er3+纳米晶产生了很强的红色上转换发光。根据KMnF3∶Yb3+,Er3+纳米粒子的发光特性, 制备了KMnF3∶Yb3+,Er3+ NCs-PMMA复合材料, 用其作为芯层设计了掩埋形结构光波导放大器, 利用传统的半导体工艺完成器件制备。器件测试结果表明, 当655 nm信号光功率为0.1 mW、980 nm泵浦功率为260 mW时, 器件获得了2.7 dB的相对增益。

为了提高有机太阳能电池(OSCs)的性能, 增强器件在空气中的稳定性, 研究了TiO2薄膜作为阴极缓冲层对OSCs器件性能的影响。制备了结构为ITO/TiO2/C70/Rubrene/MoO3/Al的OSCs器件。首先, 通过测量器件效率, 考察了TiO2薄膜对Rubrene/C70电池的性能影响。接着, 通过控制TiO2薄膜厚度, 研究了TiO2厚度对器件性能的影响。实验结果显示, 当TiO2修饰层厚度比较薄时, 器件的各性能参数较低, 随着TiO2厚度的不断增加, 器件的各性能参数呈上升趋势; 当TiO2厚度为81 nm时, 器件的各性能参数达到最佳, 器件的功率转换效率为1.09%, 电流密度为2.55 mA·cm-2, 开路电压为0.88 V, 填充因子为48.69%; 当TiO2厚度继续增加时, 器件的各性能参数开始下降。对比没有TiO2阴极修饰层的器件, 最优时的Jsc、Voc、FF和PCE分别提高了37%、21%、17%和91%, 并阐述了性能提高的原因。

为了提高LED灯具的散热能力, 基于烟囱效应原理, 设计了一种新型的LED灯具散热结构。该结构仅采用一块圆柱状基板, 不需要散热器, 突破了传统LED灯具的构造模式。运用软件Solidworks构建三维模型, 用其插件Flow Simulation进行热仿真。当功率为10 W时, LED芯片最高温度为81.34 ℃。当功率增加到15 W时, 最高温度变为105.54 ℃, 高于芯片安全工作温度85 ℃。因此, 本文提出在基板中间加入散热器的改进方案, 使LED芯片最高温度下降了30.79 ℃。并以散热器翅片数12个、内环直径20 mm、翅片厚度1 mm为基础模型参数, 进行优化试验。研究表明: 在翅片数为12个、内环直径为12 mm、翅片厚度为1 mm时, LED异形灯的散热效果最好, 此时, LED异形灯的最高温度为72.21 ℃。当功率为8, 13, 15, 17, 19 W时, LED异形灯芯片的温度都满足LED工作的安全要求。经过对8 W的LED异形灯样品的实验测试, 测得其最高温度为53 ℃, 与仿真结果仅相差1.01 ℃, 证实了研究的准确性。所设计的LED异形灯, 为解决大功率LED散热问题提供了一条新的途径。

为了探究低温等离子体活化转化煤层甲烷的机理, 采用自制的介质阻挡放电实验系统对体积组成为CH4 40%、O2 12%、N2 48%的模拟煤层甲烷进行等离子体活化转化。采用色谱分析方法对煤层甲烷介质阻挡放电稳定产物进行分析, 结果表明低温等离子体活化煤层甲烷的主要产物为CH3OH、CO和CO2。采用发射光谱原位诊断技术在200～700 nm波长范围内研究了放电气体的发射光谱, 检测到O·、CH·、C·、Hα、N2(A3+U)等激发态物种。基于发射光谱原位诊断和气相色谱分析结果, 对煤层甲烷活化转化的自由基反应过程进行了推断。同时, 明晰了反应气中N2对煤层甲烷活化和主要产物的生成具有促进作用, 即N2产生了存活时间更长的亚稳态离子, 该亚稳态离子将能量传递给反应气中的O2和CH4, 进而加速了煤层甲烷的活化和稳定产物的生成。

粒子在基态和亚稳态之间的振荡会导致探测光吸收的降低,而探测光束在很窄的频率范围内吸收的降低, 会使介质的感生折射率在同样范围内迅速变化, 从而改变群折射率ng=n(ω)+ωdn/dω。本文利用光纤慢光理论, 对不同条件下的群折射率限定和群速度的变化特性展开讨论。群折射率随光纤长度的增加而降低, 不同离子浓度的掺铒光纤中慢光的感生群折射率均随调制频率的增加而降低, 同时在不同的调制频率条件下, 群折射率随入射信号光强度的增大均有一个饱和的过程。

合成了以山梨酸(SA)和8-羟基喹啉(Hq)为配体的Sm(Ⅲ)、Eu(Ⅲ)为中心的三元稀土配合物, 研究了配合物与DNA之间的作用机制。采用红外光谱、紫外-可见吸收光谱、差热热重、元素分析和摩尔电导等方法, 确定了配合物的化学组成, 采用光谱法探讨了配合物与鲱鱼精DNA的作用机制。结果表明: 配合物的化学组成为Sm(Hq)(SA)2和Eu(Hq)(SA)2, 其最大吸收峰在加入DNA后发生减色和红移, 中性红(NR)使配合物-DNA体系的吸收发生减色, 伴有等色点出现。配合物的加入导致NR-DNA体系的吸收峰强度和位置发生变化。计算求得Eu(Hq)(SA)2和Sm(Hq)(SA)2分别与DNA的结合位点数为5, 在20 ℃下, Sm(Hq)(SA)2、 Eu(Hq)(SA)2与DNA的结合常数分别是2.04×104 L/mol和1.09×104 L/mol。2种稀土配合物都能不同程度地猝灭NR-DNA体系的荧光, 表明2种稀土配合物对DNA都有较强的嵌插作用且能自发进行, 结合能力为Sm(Hq)(SA)2 >Eu(Hq)(SA)2。

为了实现分布反馈式光纤激光传感器(DFB FL)大动态范围、稳定解调, 建立了基于3×3耦合器的迈克尔逊干涉仪解调系统。对该系统所采用的对称解调算法(NPS)和反正切解调算法进行了深入研究。首先, 介绍了基于3×3耦合器解调算法的原理及耦合器不对称时的调校方法。接着, 对干涉仪所需最小非平衡路径长度的选取与系统强度噪声、激光器频率噪声的关系进行了分析。最后, 针对NPS算法与反正切算法最大可解调信号幅度进行了分析对比, 并研究了微分器对对称解调方法解调范围的影响。实验结果表明: NPS算法动态范围高于反正切算法, 微分器的幅频特性不理想会减小解调动态范围。在采样频率为125 kHz、信号频率为1 kHz、干涉仪非平衡路径为100 m时, NPS算法与反正切算法的动态范围分别达到96 dB和 90 dB。用解调前调校的方法, 基于3×3耦合的解调方法动态范围大, 能够实现稳定解调, 满足工程应用要求。

以间甲氧基肉桂酸、对位取代的苯甲醛为原料, 设计合成了2种未见报道的肉桂酸肟酯类衍生物, 并用MS、IR、1H NMR、13C NMR进行结构表征。采用分子对接技术和荧光光谱法、紫外-可见光谱法、位点竞争法研究了2种衍生物分别和人血清白蛋白(HSA)相结合的机理。通过Stern-Volmer方程等处理荧光猝灭相关数据得到了衍生物与HSA相互作用的结合常数和热力学参数。结合紫外-可见光谱对两种衍生物与HSA的相互作用进行了进一步的分析, 结果表明在体外生理条件下, 衍生物都可以与HSA结合, 对HSA内源荧光产生静态猝灭并对其构象产生影响, 其主要的结合力为氢键和范德华力。位点竞争实验表明衍生物与HSA相互作用都发生在Sudlow site 1(亚域Ⅱ A)处。以上实验结果均验证了分子模拟对实验的预测。