有机光化学论文2008296052周子竞.doc

山西大学本科生课程论文（2011 2012学年 第2学期）学院（中心、所）： 化学化工学院 课 程 名 称： 有机光化学 授 课 教 师： 冯丽恒 论 文 题 目： 半导体和纳米材料 姓 名： 周子竞 年 级： 2008级 学 号： 2008296052 成 绩： 山西大学化学化工学院2011 年 11 月 15 日 纳米半导体光电子材料进展与展望 周子竞 （山西大学化学化工学院化学系08界）摘要：本文介绍了纳米半导体光电子量子点、量子线和量子阱材料的发展动态和应用。最后，展望了这些材料的发展前景。关键词：微电子技术、化学传感器、光伏器件、微纳加工引言：当半导体材料的尺度缩小到纳米范围时，其物理、化学性质将发生显著变化，并呈现出由高表面积或量子效应引起的独特性能。目前，半导体纳米材料与器件的研究仍处于探索、开发阶段，但它们在多个领域的应用，如新型高效太阳能电池、纳米级电子器件、纳米发光器件、激光技术、波导、化学及生物传感器、化学催化剂等已呈现出诱人的前景。纳米技术的进一步发展必将使得半导体工业实现历史性突破。根据国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020 年)所确定的“自主创新，重点跨越，支撑发展，引领未来”的指导方针，迫切需要进一步加大纳米科技投入，积极开展纳米应用科学研究，努力解决影响我国国民经济和社会发展的重大科技瓶颈问题，促进我国持续创新能力迅速提高，实现我国科技跨越式发展，带动我国科技整体进步，为我国国民经济和社会发展提供强有力的技术支撑。近年来，以硅量子点和硅纳米线为代表的硅纳米结构及相关技术的研究受到了广泛重视，并成为当今半导体纳米科技最活跃的研究领域之一。这一领域研究受到广泛重视的原因主要在于：(a) 现代信息技术的基础是基于硅基器件的微电子技术，因此，硅基材料和器件技术的发展在某种程度上决定着现代微电子技术和信息技术发展的未来，具有重要的战略意义。(b) 正如目前的单晶硅片，硅纳米结构被认为是未来构成纳/微电子器件的基本单元。随着硅基互补金属氧化物半导体(CMOS)电路的尺寸逐渐变小，降低到10 nm或更小时，将面临诸如器件加工极限、加工费用的成倍增加以及器件工作原理发生变化等一系列严峻挑战，这将成为未来硅基微电子等工业发展的瓶颈。而硅纳米技术为突破以上瓶颈提供了低成本、高效率的解决方案。(c) 硅纳米结构的尺寸小到一定范围时，将会出现量子限域效应、尺寸效应及表面效应等许多新的效应，从而使它呈现出诸多新颖性质，其中一个典型的例子就是由量子效应引起的硅纳米结构的高效发光。最近的研究表明硅纳米结构具有高效的可见发光，且发光波长可以通过对硅纳米结构尺寸改变进行调节。最近，科学家已经利用硅纳米结构所呈现的这些新颖性质和效应，开发出了高灵敏生物和化学传感器、高效率太阳能电池及发光二极管等器件。因此，该类纳米材料展现出广阔的应用前景 我们的目标是要建成具有国际先进水平的、在纳米科技领域具有核心竞争力的科研基地和科技创新环境。具体来说将在以下几个方面展开研究：1纳米半导体材料的可控合成，开发具有特定性能的纳米结构和纳米材:硅纳米线阵列、碳纳米管阵列、硅量子点、碳量子点、有机/无机纳米杂化材料、异质结材料，以及具有非线性光学、湿敏、温敏、气敏、磁性等功能性纳米材料的可控合成。2化学传感器的研究包括纳米材料的表面修饰、纳米结构的有序组装、纳米材料与生物物质的键合联接。再利用纳米材料对分析物的作用，基于光、电、磁、声、力以及它们的组合，对待测物质进行检测和跟踪，尤其是在安全、健康、卫生和反恐方面更有用武之地。3纳米催化剂的研究纳米材料由于独特的晶体结构及表面特性，其催化活性和选择性大大高于传统催化剂，可望作为新型的催化材料应用于化学工业。随着纳米微粒粒径的减小，其表面积逐渐增大，吸附能力和催化性能也随之增强。这些独特的效应使纳米催化剂不仅可以控制反应速度，大大提高反应速率，甚至可以使原来不能进行的反应进行。例如块体金不具备催化能力，而纳米金具有较好的催化效果。我们的催化实验证明直径为1-2nm的硅量子点可以被用来作为可见光还原二氧化碳，以及可见光降解染料甲基红的催化剂；而直径为3-4nm的硅量子点可能被用来作为苯氧化制备苯酚的高选择性催化剂。另外，不同的纳米材料在进行催化时还有协同作用。4纳米光电传感、光伏器件的研究纳米半导体光电传感器和光伏器件具有节能、高效、稳定、可靠等优点，在能源、交通和信息领域将会起到越来越大的作用。 5功能有机纳米材料以一系列功能性强的有机小分子为研究对象，比如高效发光的有机光电子材料，非线性光学材料，一些重要的小分子药物材料等。首先设计合成目标功能的有机化合物，然后通过各种实验手段制备并可控生长其相应的纳米材料，对纳米材料进行结构表征，并结合理论计算与模拟，分析晶体结构与纳米结构的关系。 进一步研究纳米材料相对于体材料和分子态材料在性能上(包括光学、电学、催化、传感、化学反应性等方面)的区别， 挖掘其优势，构筑其纳米器件， 探索有机纳米材料在实践中的应用。6纳米制造科学、微纳加工技术纳米制造科学和微纳加工技术是支撑纳米科技走向应用的基础。它探索由宏观进入微观时，能量、运动与物质结构和性能间的作用机理与转换规律，建立纳米制造理论基础及工艺与装备原理，探索基于物理/化学/生物等原理的纳米制造新方法与新工艺，揭示纳米尺度制造过程中结构与器件的性能演变规律。纳米生物技术实验室纳米生物技术是纳米科学与生命科学的前沿交叉领域，有着广泛的发展前景。本纳米生物技术实验室的目标是立足于纳米生物技术的国际发展前沿，利用纳米科技领域的最新研究成果开展应用基础研究，深入探索多种纳米材料的性质，研究制备既有良好的生物相容性，又具有独特光、电性能的应用型功能纳米材料，并拓展其在生物学领域的应用前景。研究工作将着重于加强重大疾病、传染病及遗传病的早期诊断与检测，研制新型纳米生物探针和纳米药物载体，发展分子细胞生物学研究的新方法和新技术，探索纳米生物学发展的新途径。 主要研究方向：1、新型生物荧光探针：研究与开发基于功能纳米材料(如量子点、硅纳米微球等)的新型荧光标记物，用于目标生物分子(如蛋白、核酸等) 的靶向标记与细胞成像，为分子细胞生物学的研究提供新方法2、新型纳米生物传感器：研究与开发基于功能纳米材料(如硅纳米线、硅纳米微球等) 的生物传感器和功能纳米器件，实现对目标生物分子的高灵敏度和高特异性检测，为重大疾病、传染病及遗传病的早期诊断提供新技术；3、新型纳米药物载体：研究与开发基于低生物毒性、低免疫原性、高生物相容性的功能纳米材料，并将其与生物分子(如短肽、蛋白等)结合，发展高效、安全、高靶向性、可控的纳米药物载体及基因治疗载体。半导体量子点(quantum dots，qds)是近年来被广泛研究的一类发光物质，当其直径小于其激子玻尔直径(一般小于10nm)时，就会表现出特殊的物理和化学性质。半导体量子点的这种特殊结构导致它具有量子尺寸效应、介电限域效应、表面效应、宏观量子隧道效应等特性，并由此派生出半导体量子点独特的发光特性。这些特性使它们在生命科学、分析科学、材料科学、免疫医学、检验检疫等传统及新兴领域中发挥着越来越重要的作用。与传统的有机荧光染料相比，量子点具有宽激发、窄发射、发射峰较窄并且对称、发射波长可通过控制它的尺寸大小和组成来调节、荧光强度及稳定性是普通荧光染料的100倍左右、生物体系中几乎没有光漂白现象、生物相容性好等优点，可以用作荧光探针对生物样品和细胞进行染色。 近年来在纳米技术方面所取得的研究进展使得纳米材料可以设计为高灵敏度的化学或生物传感器。纳米粒子与生物识别物质或结构相结合能够对某一特定的分析物产生响应，从而形成了纳米生物传感器。一维纳米材料（纳米棒、纳米带、纳米管以及纳米线）由于其在介观物理及纳米器件制造领域独特的应用潜力而逐步成为新的研究热点，同时一维半导体纳米材料也因本身所具有的许多独特的光学性质而获得了快速发展。理论研究比较成熟的是cdse纳米棒，与球形半导体纳米粒子相比，cdse纳米棒的斯托克斯位移要大的多，并且在沿聚乙烯丁烯整齐排列的长轴方向上出现极化发射现象，这对于半导体纳米棒用于生物材料标记时确定标记材料的取向很有帮助。cdse/cds/zns纳米棒作为探针用作荧光标记就要比半导体量子点亮的多。最近相继报道了很多一维半导体材料的合成，然而，合成一维纳米管却并不多见，究其原因是因为空心结构的形成条件比较苛刻。 众所周知，花菁是一类可以通过改变共轭链的长度来调节吸收和发射波长的荧光染料。花菁5是其中一个斯托克斯位移较大且发射在近红外的成员。花菁5在600nm左右的吸收较强，可以与cdte量子点的发射峰位置重叠，两者相结合可以组建荧光共振能量转移体系（fret）。fret因其对距离的敏感性，广泛地被应用于生物大分子结构、性质、反应机理以及定量分析等方面的研究。酶性dna是近年来发展比较迅速的、与蛋白质酶和酶性rna作用相似的酶家族新成员，另外金属离子作为辅助因子可以增强酶性dna的活性。利用这个性质，可以通过体外选择来筛选合适的dna链检测金属离子。 本文综述了半导体量子点在生物检测中的应用、空心纳米结构的制备以及潜在的应用价值、酶性dna作为检测金属离子探针的应用。 在此基础上，分别开展了以下几方面工作： 1、利用半导体纳米粒子在水油界面的自组装合成了油溶的一维cdte纳米管和纳米线，克服了传统油相合成法的缺点。研究中分别考察了多个影响因素从而得到了最优合成条件; 2、设计组装了以cdte量子点(qds)和花菁-5(cy-5)之间的荧光共振能量转移(fret)为基础的纳米生物传感器：qds-dnazyme-cy.5，预期目标是实现生物体内铜离子的直接测定。在没有铜离子存在的情况下，花菁-5猝灭cdte的荧光。一旦加入铜离子后，铜离子特异性打断dna结合位点，dna链不可逆断开，花菁-5远离cdte使得荧光共振能量转移现象消失，cdte的荧光恢复从而达到测定铜离子的目的。参考文献【l】贺志荣纳米科技，2005，2(5)：8【2】WaKayama Y et a1Appl Phys，1998，85(12)：8492【3】Schitterhelm P et a1Thin S