硅化铁复合纳米结构的设计及其发光特性研究

发展光电子集成是人们长期的梦想。1990年多孔硅室温可见光的发现展示了采用半导体纳米材料实现硅基光电子集成的可能性，此后，随着深入的研究，发现多孔硅还存在着一些缺点，譬如，它的结构和发光特性不稳定，不易获得蓝光发射等，因此克服多孔硅的缺点，寻求结构和发光特性稳定的半导体纳米结构是当今半导体材料物理领域中的一个研究热点。本项目采用高能Fe 离子注入和高温退火的办法，在硅片上形成FeSi2层，然后用电化学腐蚀制备FeSi2 和Si 纳米颗粒的复合体。在化学回馏后去除硅晶粒和剩下纳米FeSi2 颗粒，然后用偶联剂将C60 连接到FeSi2 颗粒上形成C60 偶联的FeSi2 纳米结构。借助于多种微结构和光谱分析研究手段系统地探索这种FeSi2纳米颗粒及其纳米复合结构的光激发和光发射特性，并从理论上揭示出产生光发射现象的本质，寻求在光学器件上的应用。

长余辉发光材料是一类重要的节能材料，其纳米化是目前重要的发展方向。本项目利用自上而下的思想，主要以微米级碱土铝酸盐长余辉发光材料为原料，创造性地提出采用溶剂热方法获得并调控长余辉发光材料的纳米结构。研究溶剂热反应条件对长余辉发光材料纳米化的作用和影响，研究溶剂热条件下纳米结构的形成过程和机理，研究材料余辉性能的变化及与反应条件和纳米结构的关系。本项目的研究和完成，将为长余辉发光材料及其他发光材料的纳米化提供新的方法和路线，为开拓长余辉发光材料在生物医学和光电转换以及农业等新的领域的应用提供基础和依据。

通过4年左右时间的努力，我们完成了本项目的研究内容，取得了相应的研究成果，为纳米长余辉发光材料制备以及碳点与无机发光材料复合体系构建及其应用打下了基础，提供了理论依据和技术支撑。 本项目比较系统研究了有机溶剂热处理长余辉发光材料及其余辉性能变化，获得了不同纳米结构和形貌，并对形成机理进行了研究。 在国际上我们首先开展了有机溶剂热处理块体发光材料以获得纳米发光材料的研究，有望开辟一条“由上到下”制备纳米发光材料的新方法。 我们的研究表明，长余辉发光材料通过有机溶剂热处理，不仅可以改变(增强或减弱)材料的长余辉性能，而且可以改变了长余辉发光材料的表面形貌和结构，这与有机溶剂的种类、分子结构、极性等有关。进一步，我们提出了有机溶剂热处理长余辉发光材料表面形貌和结构变化的机理。高温高压的有机溶剂在反应釜中对长余辉块体材料反复进行冲刷，从块体材料上刻蚀出沟壑状形貌，剥离下来以纳米颗粒的形式存在。在反应釜自然冷却降至室温的过程中，溶剂热反应阶段中产生的纳米颗粒重新在块体材料表面进行自组装，在不同溶剂的作用下，纳米颗粒自组装形成了不同的纳米结构和形貌。此外，我们还使用聚二甲基硅氧烷PDMS，利用它具有的优异的透光性、化学惰性以及疏水性，用它来包覆长余辉发光材料粉体颗粒的表面。结果表明，不仅提高了材料的耐水性，解决了此类材料因抗湿性差而应用受到限制的问题，而且增强材料的发光强度。 本项目还扩大了研究范围，研究了碳点及其与稀土离子或稀土离子激活的荧光体复合，构建一类新的发光体系，研究它们之间的相互影响和变化关系，发展材料的新的应用领域。开展水热法制备碳点材料，研究了碳点的发光性能，进一步开展碳点与无机稀土发光材料的复合、性能和应用研究，我们在国际上率先开展了碳点对植物生长发育的影响和组织成像，取得了新的结果。 本项目共发表SCI研究论文28篇，会议论文4篇，获授权发明专利5件，申请发明专利15件。

自然界的硅化铁通称二硅铁矿 ，二硅铁矿最早发现于苏联亚速海岸的泥盆纪砂岩中，当时推测为陨石成因。1975年魏全生等在苏北研究某超基性岩体及铬铁矿时发现了二硅铁矿。1983年张如柏等在安徽贵池县某山区河流中发现了二硅铁矿和自然硅(二者呈连体)。但不论是二硅铁矿还是自然硅在金伯利岩中还是首见报道。