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摘 要

石墨烯量子点以其优异的物理化学和光学性能、低毒性等，引起了研究者们广泛的兴趣。本文先用改进的Hummers方法制备出氧化石墨烯（GO），接着以GO为前驱体，引入乙二胺，通过一步水热处理制备得到石墨烯量子点（GQDs）。实验结果表示这种方法得到的石墨烯量子点能够发出紫色荧光。通过对比实验，得到了制备石墨烯量子点的最佳实验条件。同时运用傅里叶变换红外（FT-IR）光谱、X射线衍射（XRD）、紫外吸收（UV-Vis）、透射电镜（TEM）、荧光光谱仪等表征手段，对所制备的石墨烯量子点的形貌与性质进行表征。最后借助于丝网印刷，实现石墨烯量子点在荧光图案化方面的应用。

关键词：水热法 荧光 石墨烯量子点 图案化

Preparation of Graphene Quantum Dots for Patterning

Abstract

The graphene quantum dots have attracted wide interest because of their excellent physical, chemical and optical properties, and low toxicity. In this thesis, graphene oxide (GO) was prepared by modified Hummers method, and graphene quantum dots (GQDs) were prepared by hydrothermal treatment of GO under the presence of ethylenediamine. The experimental results show that the graphene quantum dots obtained by this method can emit purple fluorescence. Through the comparative experiments, we obtained the best experimental conditions for the preparation of quantum dots of graphene. The structure and optical properties of the prepared graphene quantum dots were characterized by Fourier transform infrared (FT-IR) spectroscopy, XRD, UV-Vis, transmission electron microscopy (TEM) and fluorescence spectroscopy. Finally, the application of graphene quantum dots in fluorescent patterning was realized by screen printing.

Key words: hydrothermal; fluorescence ;graphene quantum dots; patterning

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 文献综述 3

1.1引言 3

1.2石墨烯量子点的研究进展 3

1.3石墨烯量子点的制备 3

1.3.1 酸氧化法 3

1.3.2 电化学剥蚀法 4

1.3.3 氧等离子体处理法 6

1.3.4 水热法 7

1.3.5 溶液化学法 7

1.3.6 微波水热法 8

1.4石墨烯量子点的应用 9

1.4.1 药物传输 9

1.4.2 光伏器件 10

1.4.3 光催化剂 11

1.4.4 生物成像 12

1.4.5 电化学检测 13

1.5本论文的研究思路 13

第二章 实验部分 14

2.1实验原料 14

2.2主要仪器与设备 14

2.3石墨烯量子点的制备 15

2.4图案化 15

2.5 表征手段 15

第三章 结果与讨论 17

3.1荧光石墨烯量子点的形成机理 17

3.2中间产物氧化石墨烯的结构分析 17

3.3制备石墨烯量子点的条件优化 18

3.4石墨烯量子点的形貌分析 18

3.5石墨烯量子点的结构分析 19

3.6石墨烯量子点的光学性质分析 20

3.6.1石墨烯量子点的激发依赖性 20

3.6.2石墨烯量子点的紫外及荧光分析 20

3.6.3石墨烯量子点的荧光寿命 21

3.7石墨烯量子点在图案化中的应用 22

第四章 结论 24

参考文献 25

致谢 27

第一章 文献综述

1.1引言

人类社会的发展很大程度上得益于新材料的研究及应用。某种意义上，判断一个国家经济、国防、科技等综合国力取决于新材料的科研成果以及其是否能大规模产业化应用。石墨烯量子点自2008年首次被发现以来，受到众多科研工作者极大的关注。石墨烯量子点由于优良的物理性能、化学性能以及低毒性，所以在药物传输、光催化等众多领域具有良好的应用前景。^[1-3]

1.2石墨烯量子点的研究进展

第一个人工合成的零维石墨烯材料是Novoselov等人于2008年实验得到的。^[4]他们发现并提出该材料在微观尺寸（如纳米）条件下能显现出量子点性质，从而可用于合成石墨烯基半导体材料。把该材料进一步加工可有希望制得石墨烯分子级电子器件。石墨烯尺寸缩小至100nm以下具有量子约束电子状态，因此称之为石墨烯量子点(Graphene quantum dots，GQDs)。根据量子限域原理，^[5]很多研究人员采取各种方式获得了有荧光性能的石墨烯量子点，他们还希望利用尺度、形状的变化等来调控其电学和光学性质，从而开发新型的应用。^[6]另一方面，研究人员也发现了若将石墨烯量子点置于水或一些有机溶剂中，它们能显现出优异的分散性。而微米级石墨烯在同样的条件下其分散性就会差很多，所以未来石墨烯量子点的发展前景更值得看好。不仅如此，石墨烯量子点还有较强的稳定性、优异的光电性、还可以抗光漂白且绿色无毒。所以，这些年来，它成为了材料化学等领域的科研人员关注的焦点。^[7]

1.3石墨烯量子点的制备

石墨烯量子点的制备方法可以分为通过化学、电化学或物理方法将石墨烯片分解成较小碳结构的自上而下法和通过有机小分子热解或者碳化，合成出大的颗粒的自下而上法。所选择的前驱体和合成方法通常决定所得石墨烯量子点的物理化学性质，例如尺寸，结晶度，氧、氮含量，以及量子产率和稳定性等荧光特性。

1.3.1 酸氧化法

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