量子点光学传感器的研究进展.
量子点光学传感器的研究进展
*
来守军
(重庆三峡学院化学与环境工程学院,重庆404000
摘要分别从荧光转换传感器、荧光共振能量传感器、磷光转换传感器和定位传感器等方面综述了量子点光学传感器的发生机理及其在测定金属离子、阴离子、小分子、共振能量转移体系以及磷光材料、固态材料方面的应用。最后介绍了量子点光学传感器存在的问题和发展趋势。
关键词量子点光学传感器
Research Development of Opt ical Sensor Based on Q uant um Dots
LAI Shoujun
(Depa rtment of Chem istry and Env ir onmental Eng ineering,Cho ng qing T hr ee G or ge U niver sity,Cho ng qing 404000Abstract T he r esear ch dev elopment o f the o pt ical sensor based o n quantum do ts is rev iewed f rom four sect ions,which are fluo rescence -based transduction,fluorescence resonance energ y -tr ansfer -based senso
rs,phospho rescence transduction,and immobilizatio n techniques,and it s applications are also rev iewed.T he exist ing pro blems and develo p -ments trend of the optical senso r based o n quantum do ts are intro duced.
Key words quantum do ts,optical,senso r
*重庆市教育委员会科学技术研究项目资助(KJ081102
来守军:男,1977年生,讲师,博士研究生,主要从事量子点传感器方面的研究 T el:023-******** E -mail:laishj04@https://www.360docs.net/doc/197653886.html,
量子点作为稳定的光学传感器,距今已有10年发展历史。1998年,A livisato s [1]制备了CdSe/ZnS 的核-壳结构的量子点,并将其作为荧光探针对鼠组织细胞进行标记。在核-壳结构的外面增加了一层SiO 2,其表面经不同基团修饰后,可以通过静电引力、氢键作用或特异的配体、受体相互作用来控制量子点与生物分子之间的相互作用。不同于核-壳方法,N ie 等[2]将量子点表面连接上巯基乙酸,从而使量子点不仅具有水溶性,而且可与生物分子相结合,并且通过光致发光可检测出与生物分
子相结合的量子点。他们的探究都说明,可以通过量子点的光致发光光谱,结合合适的免疫分析技术来识别特异性的抗体和抗原,从而开创了量子点作为光学传感器的先河。但是,量子点光学传感器的发展还是很慢,主要是受制备稳定的、功能化的量子点技术的限制。目前量子点光学传感器的研究主要包括以下几个方面。
1 荧光转换传感器
由于量子点的发光特性容易受量子点表面态的影响,因而量子点的表面与给定物质之间的物理、化学反应将导致核电子空穴结合效率的改变,进而引起发射光谱的变化。在此基础上,建立了量子点探针光学传感器。
1.1 金属离子传感器
在诸多的传感器中,以Cd 元素为基础的量子点传感器已经应用于测定小分子和离子。值得一提的是,过量Cd 离子的加入可以钝化CdS 纳米粒子的表面,在其表面形成一层Cd(O H2,因Cd(O H2的带隙较CdS 大,从而提高了量子点的量子效率[3]。同样,Zn 离子和M n 离子的加入可以改善CdS 和ZnS 胶体的光致发光效应。这种
效应的产生主要是由于离子的加入钝化了量子点的表面,使得表面态被填充或更加靠近带边[4]。正是基于量子点的这个性质发展了量子点金属离子传感器。此外,通过加入一些可以影响量子点发射光谱的分析物,猝
灭量子点的荧光,也可以开发量子点传感器。金属离子猝灭量子点的发光机制主要分为4种:内滤效应、非辐射结合通道、电子传输和离子绑定反应。Chen 等[5]首次在水溶液中合成了多磷酸盐、L -半胱氨酸以及巯基乙醇修饰的水溶性的CdS
量子点,并发现不同配体的修饰对金属离子有不同的响应,建立了在水溶液测定铜离子和锌离子的分析方法,检测限分别达到0.8L mo l/L (Zn 2+和0.1L mol/L (Cu 2+。与传统有机染料相比,量子点传感器能更好地区分Zn 2+和Cu 2+,因而更适合灵敏的测定生物样品中的Cu 2+浓度,而Zn 2+不干扰。同样,L eblanc 等[6]也合成多肽修饰的CdS 量子点用来测定铜离子和银离子。而Isaro v 等[7]在异丙醇中证明铜离子的绑定使得量子点产生较多的非辐射电子/空穴,因而猝灭了量子点的荧光,其猝灭机制可以应用于有机溶液中铜离子的化学传感研究。其他研究小组也分别合成了2-巯基乙烷磺酸、牛血清白蛋白、巯基乙酸修饰的量子点,并利用其荧光猝灭机制,建立了高选择性和高灵敏度的测定铜离子的方法[8-10]。本课题组利用铋试剂ò作为修饰剂,合成了银离子量子点传感器,用于黄河水以及废水的测定,获得了很好的效果[11]。总的来说,量子点经过适当的表面修饰后,特别是巯基化合物作为修饰剂,可以作为铜(ò等元素的传感器,达到很高灵敏度;然而,作为修饰剂巯基化合物具有一定毒性,所以如何更好地选择环保型的修饰剂是科学工作者关心的问题。
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1.2阴离子传感器
除了金属离子传感器,量子点还可以作为阴离子的传感器,如碘化物传感器和氰化物传感器等。通过内滤效应、非辐射复合以及电子-转换过程,碘化物可以猝灭量子点的荧光,导致发光强度的强弛豫(达到10L s[12]。而且研究还证明多磷酸盐修饰的硫化镉比传统的荧光探针荧光素的稳定性强数倍,同时可以实现在有氧条件下灵敏地测定碘化物,预示其可能作为一种新的发光体用于化学传感、DN A序列以及其它生物学领域。对于氰化物传感器的研究,近些年来已经取得了较大的进展。氰化物在CdSe和CdS量子点薄膜上的吸附可以增加其表面的尺寸量化,这种效应主要归因于带负电的氰化物对Cd强的吸附增加了电子波在量子点表面的富集,最终猝灭了量子点的荧光[13]。Sanz-M ede等合成了2-巯基乙烷磺酸修饰的水溶性CdSe量子点,并将其用于测定水溶液中的氰化物的含量,检测限达到1.0L mo l/L[14]。对叔丁基-N-(巯基乙基氨基甲酸酯修饰的CdSe量子点已成为一种非常成功的、高选择性、高灵敏度的氰化物的传感器,检测限达到0.1L mol/L,因而可以应用于测定实际
样品中毒物的检测[15]。应该指出的是,量子点作为阴离子的传感器的研究才刚刚起步,无论是在机理解释还是在测定阴离子的种类上还很有限,所以如何选择合适的量子点修饰剂和控制合成高通量的量子点是未来阴离子传感器的发展方向。
1.3分子传感器
近些年,量子点有机分子或者生物分子的传感器越来越受到科学家的关注。利用层层组装技术,巯基乙酸修饰的CdSe 量子点复合到有机磷水解酶(OPH和壳聚糖薄膜中,可以对磷酸二乙基对硝基苯基酯(P araox on有响应[16]。L eblanc等[17]利用表面带负电的量子点和带正电的蛋白之间的静电作用,合成了量子点-OP H生物共轭体(O PH/Q Ds,并将其作为磷酸二乙基对硝基苯基酯的生物传感器,检测限达到10nmo l/L。OP H/ QDs在磷酸二乙基对硝基苯基酯存在时,光谱强度显著减弱,这与M ichaelis-M enten方程一致,猝灭机理可能是由于酶构象的改变。巯基乙酸修饰的量子点已经应用于测定脱氧核糖核酸,主要是由于纳米粒子通过非镶嵌的方式绑定到DN A的双螺旋结构中,从而导致了量子点发光的去活化,最终使得量子点的荧光猝灭[18]。
2荧光共振能量传感器
共振能量转移体系已被广泛应用于很多领域,成为现代传感器的基础。由于量子点相对传统的共振能量转移供体和受体具有明显的优势,因而备受国内外传感器研究者的重视。分别以量子点标记的蛋白作为能量供体,染料标记的生物分子作为能量受体,建立的检测方法已经成为生物学发展的前沿课题。牛血清白蛋白(BSA能够使L-半胱氨酸修饰CdT e量子点的荧光大大增强,主要原因在于蛋白的色氨酸残基到纳米粒子的共振能量转移作用[19]。M edintz等[20]应用麦芽糖结合蛋白作为生物识别物质设计了浓度型麦芽糖传感器。为了提高与量子点结合能力,将组氨酸五聚体片断与麦芽糖结合蛋白的碳端相连,形成M BP-5H IS,其生物活性仍然保持不变,并可以稳定地结合到量子点上。这样,通过控制实验条件,一个量子点周围可以结合固定数目的M BP,形成了一个量子产率固定的传感器模型。共价的B-环糊精(B-cy clodex trin,B-CD可以结合到M BP上的糖类结合位点,与麦芽糖形成一种竞争作
用。当糖类结合位点被B-CD-Q SY9(Q SY9是一种荧光猝灭物质占据时,就形成了单供体-多受体的共振能量转移模型。由于M BP的糖类结合位点与B-环糊精和麦芽糖有相似的亲和性能,所以加入麦芽糖就会很容易地取代B-CD-Q SY9的位置,体系的量子产率便会随着麦芽糖浓度的增加而增加。但是,相对于有机荧光染料和金属螯合物,量子点的物理尺寸较大,增大了供体和受体间的距离,从而限制了共振能量转移效率。为了消除这一影响, Cy3被插入供、受体之间,作为能量转移的桥梁,两步能量转移糖类传感器也已经被设计出来。
单供体-多受体共振能量转移体系提高了共振能量转移效率,为设计光学传感器提供了有利条件。M edintz等[21]设计的光学传感器与前面提到的单步麦芽糖传感器具有相同的结构,只是能量转移受体有所不同,采用光敏物质1,3,3-三甲基-螺[2,2-吲哚啉-2H-1-苯并吡喃](简称BIP S,用磺化N-羟基琥珀酰亚胺(Sulfo-N HS将其活化产生sulfo-N H S-BIP S,当照射光在可见光区与紫外光区之间变换时,就会产生可逆的光学转换。当用紫外光激发时,BIP S就会转换为步花菁(M ero cyanine, M C形式,与量子点发生共振能量转移,使其荧光猝灭;当曝露在白光状态时,M C转换回螺吡喃(Spiro py ran,SP的形式,不能发生共振能量转移,量子点的荧光强度增强。
此外,巯基丙酸修饰的核壳量子点已经用作能量的供体来研究调聚反应动力学以及D NA复制动力学。基于共振能量转移原理,量子点键合到合适的抗体片段上就可以发展为水溶、纳米尺度、超灵敏的三硝基甲苯(T N T传感器,直接检测水环境体系中的T NT。T N T置换量子点上的染料标记物质,从而消除了共振能量的转移,而且T N T的浓度与光致发光光谱强度在一定范围内有定量关系[22]。
传统有机荧光染料吸收光谱窄,发射光谱常常伴有拖尾,这样会影响供体发射光谱与受体吸收光谱的重叠程度,而且供、受体发射光谱产生相互干扰。最新的一些报道将发光量子点用于共振能量转移研究,克服了有机荧光染料的不足之处。相对于传统有机荧光染料分子,量子点的发射光谱很窄而且不拖尾,减少了供体与受体发射光谱的重叠,避免了相互间的干扰;由于量子点具有较宽的光谱激发范围,当它作为能量供体时,可以更自由地选择激发波长,最大限度地避免对能量受体的直接激发;通过改变量子点的组成或尺寸,可以使其发射可见光区任一波长的光,即其可以为吸收
光谱在可见区的任一生色团作能量供体,并且保证了供体发射波长与受体吸收波长的良好重叠,增加了共振能量转移效率。
3磷光转换传感器
虽然现在的研究主要集中在量子点的荧光性质,但是量子点磷光也已经开始引起科学家的兴趣。Lu M K等[23]通过溶胶-凝胶法制备了掺杂T b2S3量子点的硅干凝胶,发现材料具有2个发射峰,一个峰在440nm,对应于没有掺杂的溶胶-凝胶的峰,另一个峰在600nm,对应于T b2S3在硅干凝胶中的峰。后者是典型的室温磷光发射(RT P,虽然发光机制不是特别清楚,但是已经暗示了量子点磷光研究的可行性。M oore等[3]也报道了含水的硫化物量子点模型和Cd x Zn1-x S的磷光发射。报告中评估了模型对量子点的磷光(590nm的影响,指出量子点的强度对于模型的
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量子点光学传感器的研究进展/来守军
成分非常敏感,如590nm处的发射随着模型中Zn的浓度的增长而增强。虽然,量子点的磷光的研究还处于初步阶段,但是有理由相信,这已开启研究传感器的新方向。
4定位传感器
迄今为止,量子点的应用大多集中在溶液体系的传感器上。将量子点固定在合适的固体基体中,构成具有活性的固相正发展为一种新型的传感器。通过聚合反应可以把指示器直接镶嵌到溶胶-凝胶材料的无机结构中,所以溶胶-凝胶材料非常适合作为光致发光光学传感器。由于量子点对于环境的变化很敏感,所以直接把量子点镶嵌到溶胶-凝胶材料中并不容易。在溶胶-凝胶过程中,溶剂极性以及量子点表面反应的改变都有可能导致量子点的猝灭。为了克服这一缺点,已经有了一些改善的方
法,例如,在合成量子点-玻璃时,加入烷基胺作为双官能团,胺既可以作为凝胶催化剂也可以作为稳定剂[24]。量子点玻璃具有更高的稳定性,更不容易降解,所以可直接应用在很多光电领域,如太阳能集中器、可调协激光媒介等[25]。
此外,利用分子印记聚合物(M olecularly impr inted poly-mer s,M IP s作为量子点镶嵌本体的方法,已经成为研究的热点。M IPs可以根据需要来设计不同的结构,因此可以对某些特定的分子具有特异性识别。L in C I等[26]合成了不同的分子印记聚合物模板,在这些模板中镶嵌了4-乙烯基嘧啶衍生过的CdSe/ZnS量子点。把功能化的量子点加入到单体、交联剂和模板分子的聚合体系中,就形成了量子点镶嵌的分子印记聚合物。特定分析物可以使M IP s中的量子点的荧光猝灭,因而可以作为传感器。猝灭主要归因于量子点和模板分子之间的能量转移过程,从而开创了量子点传感器一个全新的研究领域。
5结语
本文通过大量的文献查阅,分别从荧光转换传感器、荧光共振能量传感器、磷光转换传感器和定位传感器方面简要介绍了量子点光学传感器的研究发展现状。当前,国内外关于量子点传感器的研究还处于初步阶段,主要集中在金属离子传感器和荧光共振能量传感器方面。基于化学物质与量子点表面的物理化学作用的方法不仅比较简单,而且容易获得很高的灵敏度和选择性,但是目前主要应用于少数离子(如锌、铜、银的测定,所以如何同时测定环境和生物样品中多种组分,是量子点传感器未来重要的发展方向。此外,虽然以量子点为基础的共振能量传感器已经应用在化学以及生物领域,但是还不能直接用于量子点粒子之间的反应。再有,如何合成高通量、水溶性的量子点也是影响量子点光学传感器发展的重要因素。
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(责任编辑何欣
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钙钛矿结构固体电解质材料的研究进展/程继海等
量子点光学传感器的研究进展.
量子点光学传感器的研究进展 * 来守军 (重庆三峡学院化学与环境工程学院,重庆404000 摘要分别从荧光转换传感器、荧光共振能量传感器、磷光转换传感器和定位传感器等方面综述了量子点光学传感器的发生机理及其在测定金属离子、阴离子、小分子、共振能量转移体系以及磷光材料、固态材料方面的应用。最后介绍了量子点光学传感器存在的问题和发展趋势。 关键词量子点光学传感器 Research Development of Opt ical Sensor Based on Q uant um Dots LAI Shoujun (Depa rtment of Chem istry and Env ir onmental Eng ineering,Cho ng qing T hr ee G or ge U niver sity,Cho ng qing 404000Abstract T he r esear ch dev elopment o f the o pt ical sensor based o n quantum do ts is rev iewed f rom four sect ions,which are fluo rescence -based transduction,fluorescence resonance energ y -tr ansfer -based senso rs,phospho rescence transduction,and immobilizatio n techniques,and it s applications are also rev iewed.T he exist ing pro blems and develo p -ments trend of the optical senso r based o n quantum do ts are intro duced. Key words quantum do ts,optical,senso r *重庆市教育委员会科学技术研究项目资助(KJ081102 来守军:男,1977年生,讲师,博士研究生,主要从事量子点传感器方面的研究 T el:023-******** E -mail:laishj04@https://www.360docs.net/doc/197653886.html,
量子点的制备及特性分析
班级：物理1201班 姓名：吴为伟 学号：20121800121 时间：2014年7月1日 ——量子点的制备及特性分析 大学物理实验报告
课题意义： 量子点是一种准零维半导体纳米晶体，其三个维度的尺寸都在几到几十纳米，外观恰似一极小的点状物，其内部电子在各方向的运动都受到限制，可以产生类似于原子的分立能级。量子点具有量子尺寸效应、量子限域效应以及表面效应等特殊效应。量子尺寸效应是指半导体量子点的带隙相对于体材料发生蓝移，并且随着量子点尺寸的减小，蓝移量增大，在光学性质方面引起吸收和发射光谱的蓝移现象：而且，相对于体材料，量子点还具有吸收和发光效率高的优点。量子点的这些有益光学特性使其在生物荧光标记、太阳能电池、发光二极管、激光器、探测器、量子计算机等新型光电子器件方面都具有非常重要的应用前景，成为各国科研人员研究的热点，并在多个学科中引起很大的反响。 实验目的： 本课题实验要求通过有机液相法制备CdS量子点、以及对其吸收和荧光光谱的测量，了解量子点的生长过程、吸收和荧光光谱基本原理和特点，以及量子尺寸效应的基础知识。 实验器材： 实验仪器：量子点制备设备一套、分析天平、离心机、吸收谱仪和荧光谱仪等。 化学试剂：硫粉（S）、氧化镉(CdO)、油酸(OA)、十八碳烯（ODE）、甲醇、正己烷、高纯氩气（Ar）等。 实验原理： 有机液相法 即以有机溶液为介质，以具有某些特殊性质的无机物和有机物作为反应原料，在适当的化学反应条件下合成纳米晶材料的方法。通常这些反应物、中间产物、生成物都是对水、空气敏感，在水溶液中不能稳定存在。最常用的方式是在无水无氧条件下的有机溶剂中进行的化学反应。通过改变反应温度、时间、反应物浓度、配体种类、含量等参数，可以制备出具有不同尺寸的纳米晶体。该方法制备的纳米晶体在尺寸和形貌上通常具有很好的单分散性，纳米晶质量高；而且，由于反应是在有机介质中进行，生成的纳米晶在有机溶剂中具有良好的分散性，非常有利于实际应用。 液相法生长纳米晶一般包括三个阶段：成核过程、生长过程和熟化过程。当溶质的量高于溶解度时，溶液过饱和，晶体就会从液体中析出，形成晶核，这就是成核过程。晶核的数量和成核速度是由溶液的过饱和度决定的。溶质从饱和溶液中运输到晶体表面，并按照晶体的结构重排，这就是生长过程。该过程主要是
基于石墨烯量子点的传感器在分析检测中的应用分析
基于石墨烯量子点的传感器在分析检测中的应用 姓名李丽娟学号 S131110042 摘要：石墨烯量子点优良的物理化学性质及石墨烯量子点边缘的羧基或者氨基基团使其易与多种有机的，聚合的，无机的或者生物种类相互作用。本文主要介绍了石墨烯量子点的制备方法以及基于（类）石墨烯量子点、（类）石墨烯材料的荧光传感器在分析检测中的应用，并详细介绍了分析检测的原理，以期为石墨烯量子点在分析检测中的应用提供相关参考与依据。 关键词：石墨烯量子点荧光检测 1 引言 最近，石墨烯获得了广泛的关注由于其独特的电子光学机械以及热学性质。大量基于石墨烯的生物传感器被开发来检测核酸，蛋白质，毒素和生物分子。石墨烯片层的形态包括它们的大小，形状以及厚度都可以有效的决定它们的性质。例如，石墨烯片层侧面尺寸小于100nm时被称为石墨烯量子点（GQDs），其许多新的化学和物理性质都是由于量子尺寸效应和边缘效应而引起的。GQDs毒性小，稳定性高，溶解性好，光致发旋光性质稳定，生物兼容性较好，使得它们在光电伏打器械，生物传感及成像上有很大的应用前景。本文着重介绍了石墨烯量子点的制备方法以及近年来基于石墨烯量子点与分析物发生作用的不同原理，如荧光共振能量转移，化学共振能量转移及石墨烯量子点表面性质的变化等来检测分析物质，并做出了展望。 2 石墨烯量子点的制备 Fei Liu等[1]成功地用化学剥离石墨纳米颗粒的方法合成了高度均匀的GQDs和GOQDs（氧化石墨烯量子点），如图1所示。该方法获得了高产率的直径在4nm 之内的单层和圆形的GQDs和GOQDs。GOQDs的表面富含各种含氧官能团，GQDs有纯粹的sp2碳晶体结构没有含氧的缺陷，因此提供了一种理想的平台来深入研究纳米尺寸的石墨烯的光致发光的起源。通过描述GQDs和GOQDs的发旋光性质，说明了GOQDs的绿色光致发光来自于含氧官能团的缺陷状态，而GQDs的蓝色发光是由高结晶结构中的内禀态所主导的。此外，GQDs中的蓝色发射显示了一个快速的复合寿命相比于GOQDs中的绿色发射的复合寿命。相比
最新光电传感器的应用与新技术49303
光电传感器的应用与新技术49303
光电传感器的应用与新技术 --浅谈光电池与CCD 摘要：光电传感器是利用光电效应制成的一类传感器的总称，它能将光学量转变为电学量，广泛应用于检测和自动化系统。光电传感器包括光电池和光电阻传感器。本文将以下几个方面：1. 什么是光电池和光电阻传感器；2.光电池和光电阻传感器的比较；3.光电传感器的实际应用；4.光电传感器在未来的发展方向，详细地介绍光电传感器，并提出本人对光电传感器在未来的预测。 一光电池和光电阻 在介绍光电传感器之前，我们有必要先了解一下光电效应。光电效应是光照射到某些物质上，使该物质的电特性发生变化的一种物理现象，可分为光电子发射、光电导效应和光生伏特效应三种。前一种现象发生在物体表面，又称外光电效应[1]。它是指，在光线作用下物体内的电子逸出物体表面向外发射的物理现象。后两种现象发生在物体内部，称为内光电效应。光电导效应是指当入射光射到半导体表面时，半导体吸收入射光子产生电子空穴对，使其自生电导增大。光生伏特效应是指当一定波长的光照射非均匀半导体（如PN结），在自建场的作用下，半导体内部产生光电压的效应[2]。光电传感器都是利用光电效应制成的。 1.光电池 光电池是一种能在光的照射下，不加偏置，产生电动势半导体器件，也属于电能量型传感器。光电池的种类很多，有硒，氧化亚铜，硫化铊，硫化镉，锗，硅，砷化镓光电池等。其中最受重视的是硅光电池，因为它有一系列优
点：性能稳定，光谱范围宽，频率特性好，传递效率高（接近理论极限17%），能耐高温辐射等[3]。 1.1光电池的工作原理 光电池的工作原理是光生伏特效应。当光子的能量hγ大于半导体材料的禁带宽度时，半导体材料吸收光而产生电子空穴对，这样在半导体材料内部形成载流子的浓度梯度，进而在受照表面和暗面产生一个开路的光电压。 1.2光电池的特性 光电池的特性主要有光谱特性，光照特性等。 如 图为硒光电池和硅光电池的光谱特性曲 线，即相对灵敏度与入射光的波长的关系曲 线。从图上可知，不同材料的光谱峰值位置 是不同的[4]。硅光电池的峰值在800微米左 右，而锗光电池的峰值在450微米左右。实际使用时，应根据光源性质来选择光电池，而且要注意的是，光电池的光谱特性还与温度有关。 如图为硅光电池的光照特性。光生 电动势与光照间的特性曲线称为开路电 压曲线，光电流密度与光照强度的特性 曲线称为短路电流曲线。由图可知，当 光照足够大时，开路电压趋于饱和，因此，可以将光电池当做电流源使用，这是光电池的主要优点之一[5]。 光电池的特性还有频率特性，温度特性，在这儿就不详细叙述了。
量子点敏化太阳能电池研究进展_刘晓光
量子点敏化太阳能电池研究进展 111,2* 刘晓光，吕丽丽，田建军 12 （北京科技大学新材料技术研究院，北京 100083；中国科学院北京纳米能源与系统研究所，北京 100083） 摘要：半导体量子点（Quantum Dot，简称QD）因其具有多种优异的光电性能而在太阳能转换方面得到了广泛地应用。量子点敏化太阳能电池（Quantum Dot Sensitized Solar Cell，简称QDSC），因其工艺简单、制造成本低和理论光电转换效率高，被认为是极具发展潜力的新一代太阳能电池。本文介绍了QDSC的基本结构和工作原理、QDSC的转换效率及影响因素、QDSC的研究进展等。另外，我们还对量子点敏化太阳能电池的发展进行了展望。 关键词：量子点；太阳能电池；量子点敏化太阳能电池；研究进展 引言 随着世界经济的快速发展，人们对能源的需求量与日俱增，化石能源作为不可再生能源，已无法满足全球的能源消耗。此外，化石能源的大量使用会造成全球变暖和环境污染等问题。因而，寻求可高效利用并且对环境友好的可再生能源是世界各国的共同目标。太阳能作为一种清洁的可再生能源，已经引起了广泛的关注，被认为是传统能源的最佳替代品。根据所用材料的不同，太阳能 [1] 电池可分为：硅基太阳能电池、化合物薄膜太阳能电池、光电化学太阳能电池、有机太阳能电池和多结太阳能电池等。 量子点，是三维尺寸小于或接近激子波尔半径，具有量子局限效应的准零维纳米粒[2,3] 子。光敏性量子点是一种窄禁带宽度的半 [4][5][6]导体材料，如CdS，CdSe，PbS， [7] InAs等，它可通过吸收一个光子能量产生多个激子或电子-空穴对，即多重激子效应（Multiple Exciton Generation，简称ME G），进而形成多重电荷载流子对，以更加有效地利用太阳能。根据美国物理学家 [8] Shockley和Queisser提出的S-Q极限模型，半导体PN结太阳能电池的光电转换效率极限为31%，如单晶硅、多晶硅太阳能电池等均受限于这一模型。然而以QD为光敏剂构筑的量子点敏化太阳能电池，在MEG效应作用下，则能突破S-Q极限效率模型，具有更高 [9,10] 的理论光电转换效率。并且，QDSC制造成本远低于硅基太阳能电池。因此，QDSC被认为是极具发展潜力的新一代太阳能电池，成为世界范围内研究的热点之一。 1 QDSC的基本结构和工作原理 QDSC是由有机染料敏化太阳能电池（Dye Sensitized Solar Cell，简称DSC）衍生而来，与之不同的是QDSC采用窄禁带宽度的QD取代DSC中的有机染料分子作为电子激发的敏化剂。与有机染料相比，QD不仅 [11~13]具有MEG效应，而且还具有其它优点：（1）QD光谱吸收范围更广，其带隙可以根据其尺寸大小来调节；（2）QD具有比有机染料分子更大的消光系数和光化学稳定性；（3）QD具有大的固有偶极矩，利于激发态电子-空穴的分离。QDSC的工作原理如图1所示，其电池主要是由导电透明电极 （如FTO）、多孔光阳极（如TiO薄膜）、 2 量子点敏化剂（QD）、电解质（如多硫化 物）和对电极（如Cu S）组成。在入射光子 2 的作用下，QD中的电子从价带跃迁到导 带，激发态的电子快速注入到光阳极TiO导 2带中，在FTO玻璃上富集并通过外电路流向 2-对电极，QD中留下的空穴与电解质中 的S
量子点发光材料综述
量子点发光材料综述 1.量子点简介 1.1量子点的概述 量子点(quantum dot, QD)是一种细化的纳米材料。纳米材料是指某一个维度上的尺寸小于100nm的材料，而量子点则是要求材料的尺寸在3个维度都要小于100nm[1]。更进一步的规定指出，量子点的半径必须要小于其对应体材料的激子波尔半径，其尺寸通常在1-10nm左右[2]。由于量子点半径小于对应体材料的激子波尔半径，量子点能表现出明显的量子点限域效应，此时载流子在三个方向上的运动受势垒约束，这种约束主要是由静电势、材料界面、半导体表面的作用或是三者的综合作用造成的。量子点中的电子和空穴被限域，使得连续的能带变成具有分子特性的分离能级结构[1]。这种分离结构使得量子点有了异于体材料的多种特性以及在多个领域里的特殊应用。 1.2量子点的特性 由于量子点中载流子运动受限，使得半导体的能带结构变成了具有分子原子特性的分离能级结构，表现出与对应体材料完全不同的光电特性。 1.2.1 量子尺寸效应 纳米粒子中的载流子运动由于受到空间的限制，能量发生量子化，连续能带变为分立的能级结构，带隙展宽，从而导致纳米颗粒的吸收和荧光光谱发生变化[3]。这种现象就是典型的量子尺寸效应。研究表明，随着量子点尺寸的缩小，其荧光将会发生蓝移，且尺寸越小效果越显著[4]。 1.2.2 表面效应 纳米颗粒的比表面积为A m=S V =4πR2 4 3 πR3 =3 R ，也就是说量子点比表面积随着颗 粒半径的减小而增大。量子点尺寸很小，拥有极大的比表面积，其性质很大程度上由其表面原子决定。当其表面拥有很大悬挂键或缺陷时，会对量子点的光学性质产生极大影响[5]。 1.2.3 量子隧道效应 量子隧道效应是基本的量子现象之一。简单来说，即当微观粒子(例如电子等)能量小于势垒高度时，该微观粒子仍然能越过势垒。当多个量子点形成有序阵列，载流子共同越过多个势垒时，在宏观上表现为导通状态。因此这种现象又
量子点发光材料综述
量子点 1.量子点简介 1.1量子点的概述 量子点(quantum dot, QD)是一种细化的纳米材料。纳米材料是指某一个维度上的尺寸小于100nm的材料，而量子点则是要求材料的尺寸在3个维度都要小于100nm[1]。更进一步的规定指出，量子点的半径必须要小于其对应体材料的激子波尔半径，其尺寸通常在1-10nm左右[2]。由于量子点半径小于对应体材料的激子波尔半径，量子点能表现出明显的量子点限域效应，此时载流子在三个方向上的运动受势垒约束，这种约束主要是由静电势、材料界面、半导体表面的作用或是三者的综合作用造成的。量子点中的电子和空穴被限域，使得连续的能带变成具有分子特性的分离能级结构[1]。这种分离结构使得量子点有了异于体材料的多种特性以及在多个领域里的特殊应用。 1.2量子点的特性 由于量子点中载流子运动受限，使得半导体的能带结构变成了具有分子原子特性的分离能级结构，表现出与对应体材料完全不同的光电特性。 1.2.1 量子尺寸效应 纳米粒子中的载流子运动由于受到空间的限制，能量发生量子化，连续能带变为分立的能级结构，带隙展宽，从而导致纳米颗粒的吸收和荧光光谱发生变化[3]。这种现象就是典型的量子尺寸效应。研究表明，随着量子点尺寸的缩小，其荧光将会发生蓝移，且尺寸越小效果越显著[4]。 1.2.2 表面效应 纳米颗粒的比表面积为，也就是说量子点比表面积随着颗 粒半径的减小而增大。量子点尺寸很小，拥有极大的比表面积，其性质很大程度上由其表面原子决定。当其表面拥有很大悬挂键或缺陷时，会对量子点的光学性质产生极大影响[5]。 1.2.3 量子隧道效应 量子隧道效应是基本的量子现象之一。简单来说，即当微观粒子(例如电子等)能量小于势垒高度时，该微观粒子仍然能越过势垒。当多个量子点形成有序阵列，载流子共同越过多个势垒时，在宏观上表现为导通状态。因此这种现象又
光学传感器在医学中的应用
光学传感器在医学中的应用 生物医学传感器的研制越来越趋向于无创伤、集成化、智能化的方向发展。研制的多功能血流血氧传感器顺应了这一趋势。它利用先进的激光多普勒技术和光谱技术实现了微循环血流脉搏血氧饱和度人体生理信号的采集和转换该多功能传感器，为医学与生理学研究提供了极大的便利。 随着电子技术、激光技术和计算机技术的飞速发展生物医学仪器也有了长足的进步研究无创伤、集成化和智能化的生物医学传感器已成为国内外学者关注的热点。文中成功地使血流参数、脉搏血氧和脑血氧饱和度的检测传感器一体化研制出多功能血流血氧传感器。测定组织的血流在微循环基础研究和临床检查中具有重要意义 目前测定方法有同位素、荧光示踪、局部温度、红外摄像、超声多普勒、激光多普勒等，其中基于激光多普勒技术的传感器以其无创伤、适应范围广、操作简便而得到广泛的应用。但目前国内外用于临床的该类传感器均存在诸多不足，它们在光源和光电转换元件上分别采用氦氖激光器和光电倍增管，两者均体积庞大，需高压供电，使得整套仪器笨重、不安全、稳定性差。为解决上述技术问题，多功能血流血氧传感器采用体积小巧、低压省电、长寿命的红光、红外半导体激光器作为光源，光电转换采用小巧、廉价而灵敏度高的达林顿光敏三极管，使之具有小型化、灵敏度高、稳定性好、价格低廉等优点。血氧饱和度(SaO2)是血液中氧合血红蛋白(HbO2)的容量占全部血红蛋白(氧合血红蛋白HbO2和还原血红蛋白Hb之和)容量的百分比，它直接反映了人体供氧和氧代谢的状况，是呼吸循环系统的重要生理参数。传统用于血氧饱和度检测的血气分析法有创且步骤繁琐，不能进行连续的监测。而多功能血流血氧检测传感器则实现了脉搏血氧、脑血氧饱和度的无创实时监测。 血流检测原理血流检测原理基于生物组织中的激光多普勒效应。激光光源产生一定波长Κ的激光束进入人体微循环组织，在测量深度内的活动颗粒(主要是快速移动的血红细胞RBC)表面发生散射，其频率会发生改变，这种现象叫做多普勒频移(DopplerShift)效应。多普勒频移幅度与RBC的运动速度成正比，如下式。 由于微循环网络分布的复杂性、各微血管中血流速度的差异性以及激光在组织中散射的随机性，传感器检测到的多普勒频移信号，并不是单一频率的信号，而是有一定频谱宽度的信号。利用该信号的功率谱可以计算出各血流参数，如：流量(Q)、流速(V)、移动红细胞浓度(CMBC)等，在局部组织三者有如下关系： 血氧饱和度的检测基于朗伯—比尔定律(TheLambertBeerLaw)和光散射理论。朗伯—比尔定律是
量子点
量子点的基本知识 量子点(QuantumDots,QDs)通常指半径小于或接近激子玻尔半径的半导体纳米晶。在量子点中,载流子在三个维度上都受到势垒的约束而不能自由运动。根据量子力学分析,量子点中的载流子在三个维度方向上的能量都是量子化的,其态密度分布为一系列的分立函数,类似于原子光谱性质,因而人们往往也把量子点称之为“人工原子”。需要指出的是,并非小到100nm以下的材料就是量子点,真正的关键尺寸取决于电子在材料内的费米波长。只有当三个维度的尺寸都小于一个费米波长时,才称之为量子点。量子点独特的性质基于它自身的量子效应,当颗粒尺寸进入纳米量级时,尺寸限域将引起库仑阻塞效应、尺寸效应、量子限域效应、宏观量子隧道效应和表面效应,从而派生出纳米体系具有常观体系和微观体系不同的低维物性,展现出许多不同于宏观体材料的物理化学性质,在非线形光学、生物标记、催化、医药及功能材料等方面具有极为广阔的应用前景,同时将对生命科学和信息技术的持续发展以及物质领域的基础研究发生深刻的影响。 (1)库仑阻塞效应 由于电子(或空穴)被束缚在一个相对小的区域内,使电子(或空穴)之间的库仑作用极其显著,填充一个电子(或空穴)就要克服量子点中已有电子(或空穴)的排斥左右,因而库仑电荷效应是其另一个基本物理性质。如果一个电子进入量子点,引起整个系统增加的静电能远大于电子热运动能量k B T,则这个静电能将阻止随后的第二个电子进入同一个量子点,这种现象叫做库仑阻塞效应。 (2)量子尺寸效应 通过控制量子点的形状、结构和尺寸,就可以方便地调节其能隙宽度、激子束缚能的大小以及激子的能量蓝移等电子状态。随着量子点尺寸的逐渐减小,量子点的光吸收谱出现蓝移现象。尺寸越小,则谱蓝移现象也越显著,这就是人所共知的量子尺寸效应。 (3)量子限域效应 由于量子点的表面积与粒子的大小有着较高的比例,存在量子限域效应。所谓量子限域效应,指的是量子点的能态密度随着其尺寸大小而变,换句话说尺寸的大小决定了材料的光、电、磁特性。同时,量子点与电子的德布罗意波长、相干波长及激子波尔半径可比拟,电子被局限在纳米空间,电子输运受到限制,电子平均自由程很短,电子的局域性和相干性增强,将引起量子限域效应。子点,激子,吸收。当粒径与Walmier激子的Bohr半径相当或更小时,处于强限域区,易形成产生激子吸收带。随着粒径的减小,激子带的吸收系数增加,出现激子强吸收由于量子限域效应,激子的最低能量向高能方向移动即蓝移。 (4)量子隧道效应 传统的功能材料和元件,其物理尺寸远大于电子自由程,所观测的是群电子输运行为,具有统计平均结果,所描述的性质主要是宏观物理量。当微电子器件进一步细微化时,必须要考虑量子隧道效应。100 nm被认为是微电子技术发展的极限,原因是电子在纳米尺度空间中将有明显的波动性,其量子效应将起主要功能。电子在纳米尺度空间中运动,物理线度与电子自由程相当,载流子的输运过程将有明显电子的波动性,出现量子隧道效应,电子的能级是分立的。利用电子的量子效应制造的量子器件,要实现量子效应,要求在几个陌到儿十个腼的微小区域形成纳米导电域。电子被“锁”在纳米导电区域,电子在纳米空间中显现出的波动性产生了量子限域效应。纳米导电区域之间形成薄薄的量子垫垒,当电压很低时,电子被限制在纳米尺度范围运动,升高电压可以使电子越过纳米势垒形成费米电子海,使体系变为导电。电子从一个量子阱穿越量子垫垒进人另一个量子阱就出现了量子隧道效应,这种绝缘到导电的临界效应是纳米有序阵列体系的特点。 (5)表面效应 表面效应是指随着量子点的粒径减小,大部分原子位于量子点的表面,量子点的比表面积
光电传感器应用
浙江工业职业技术学院
消除或削弱背景光及温度等因素的影响。 二、应用举例 1．光电比色温度计（光源本身是被测物） （1）问题的提出：高温测量，物体辐射出的光波与温度有关。（2）原理：根据热辐射定律，使用光电池进行非接触测温。根据有关的辐射定律，物体在两个特定波长λ1、λ2上的辐射程度 Iλ1、Iλ2之比与该物体的温度成指数关系。 Iλ1/Iλ2=K1e-K2/T 由光路图及电路原理框图介绍其原理，注意参比信号。2．光电式烟尘浓度计（透射式） （1）问题的提出：为了控制和减少烟尘的排放量和节能 的要求，对烟尘的监测是必须的。 （2）通过光路及电路原理框图介绍其原理，注意参比信 号，由于两个通道结构完全一样，所以在最后运算U1/U2值时，上述误差可自动抵消，减小了测量误差。 3．光电式转速表（反射式） （1）问题的提出：由于机械式转速表和接触式电子转速 表精度不高，且影响被测物的运转状态，已不能满足自动化的要求。光电式转速计可用于测量高转速而又不影响被测物； （2）通过光路及电路原理框图介绍其原理： a）选用光电二极管（响应时间短）用于高频调制信号测量；
b）数字量测量，不用参比信号。 4．光电式边缘位置检测器（遮挡式） （1）问题的提出：光电式边缘位置检测器是用来检测带 型材料在生产过程中偏离正确位置的大小及方向，从而为纠偏控制电路提供纠偏信号。 （2）通过光路及转换电路介绍其原理： a）光路一半遮挡一半透过； b）桥路及运算放大器组成，接入参比光敏电阻； c）光敏电阻一般不能作模拟量测量，这里限用于控制。 三、总结以上各例使学生建立光路系统与电路结合的概念，并能 举一反三、灵活应用。 小结： 1、光电式传感器的应用类型 2、应用举例
碳量子点在活体光学成像(中文翻译)
碳量子点在活体光学成像 Sheng-Tao Yang,?,? Li Cao,? Pengju G. Luo,? Fushen Lu,? Xin Wang,? Haifang Wang,*,?,§Mohammed J. Meziani,? Yuanfang Liu,?,§ Gang Qi,? and Ya-Ping Sun*,? 新型材料和技术化学系实验室，克莱姆森大学，南卡罗来纳州克莱姆森，29634 - 0973，北京分子科学国家实验室，化学生物学部门，化学与分子工程学院，北京大学，北京100871，中国，以及纳米化学方面前沿研究所，上海大学，上海200444,中国 Received June 13, 2009; E-mail: haifangw@https://www.360docs.net/doc/197653886.html,;syaping@https://www.360docs.net/doc/197653886.html, 最近在高荧光纳米材料作为光造影剂在体内成像的发展中有了显著的发现。1理想的显像剂应该是明亮的、无毒的、生物相容的，并且对漂白稳定。其中这些广泛的研究是基于半导体量子点（QDS），例如CdSe|ZnS。2对于传统的有机染料量子点使用的基本原理是现在普遍接受的文献。3在肿瘤血管，肿瘤特异性膜上抗原、前哨淋巴结等的研究中已经有成功的量子点体内成像演示。2.4 含有镉或其他重金属的半导体量子点因为具有显著的毒性而闻名于世，即使在相对低浓度下依旧如此，5.6这可能证明了它们被禁止于任何病人的研究。因此，寻找良性的替代品仍在继续。最近的新发现特别令人感兴趣也很有意义，即小的碳纳米颗粒通过有机或生物分子可能会表面钝化进而成为强荧光。7这些荧光碳纳米颗粒7.8被称为“碳点”（C-dots，图解1），被认为是物理化学和光化学稳定的、无闪烁的。碳粒子芯也可以与无机盐掺杂如表面功能化前的ZnS以显著提升荧光亮度（CZnS-Dots，图解1）。9这些碳点已经成功用于体外细胞成像和双光子激励。7,9,10
量子点制备方法的研究进展
第２９卷，第１１期红外ｌ文章编号：１６７２－８７８５（２００８）１１?０００１—０７ 量子点制备方法的研究进展 王忆锋 （昆明物理研究所，云南昆明６５０２２３） 摘要：量子点以其类似于原子的性质近年来受到很大关注．通过Ｓｔｒａｎｓｋｉ—Ｋｒａｓｔａｎｏｗ （ＳＫ）生长模式外延自组织生长的量子点具有诸多有利于红外应用的性质，例如工作温 度较高、信噪比较大、暗电流较低、波段较宽以及垂直入射光响应等。对于新型红外探 测器的研发而言，它们是一类很有潜力的候选者．本文主要对近期国外文献报道的量 子点制备方法的部分研究进展做了总结和评述． 关键词：量子点；量子点红外光子探测器；红外探测器；制备方法 中图分类号：０４７１．１文献标识码：Ａ ＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔＳｔａｔｕｓｏｆＱｕａｎｔｕｍＤｏｔＦａｂｒｉｃａｔｉｏｎＴｅｃｈｎｉｑｕｅｓ ＷＡＮＧＹｉ．ｆｅｎｇ （ＫｕｎｍｉｎｇＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＰｈｙｓｉｃｓ，Ｋｕｎｍｉｎｇ６５０２２３，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｑｕａｎｔｕｍｄｏｔｓｈａｖｅａｔｔｒａｃｔｅｄｃｏｎｓｉｄｅｒａｂｌｅｉｎｔｅｒｅｓｔｆｏｒｔｈｅｉｒａｔｏｍｉｃ－ｌｉｋｅｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｉｎｒｅｃｅｎｔ ｙｅａｒｓ．Ｔｈｅｑｕａｎｔｕｍｄｏｔｓｇｒｏｗｎｂｙｅｐｉｔａｘｉａｌｓｅｌｆ－ａｓｓｅｍｂｌｙｖｉａ Ｓｔｒａｎｓｋｉ—Ｋｒａｓｔａｎｏｗｇｒｏｗｔｈｍｏｄｅｈａｖｅｍａｎｙｆａｖｏｒａｂｌｅｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｆｏｒｉｎｆｒａｒｅｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ，ｓｕｃｈａｓｈｉｇｈｅｒｏｐｅｒａｔｉｏｎａｌｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ，ｉｎｃｒｅａｓｅｄ ｓｉｇｎａｌ－ｔｏ－ｎｏｉｓｅｒａｔｉｏ，ｒｅｄｕｃｅｄｄａｒｋｃｕｒｒｅｎｔ，ｗｉｄｅｒｓｐｅｃｔｒａｌｒａｎｇｅａｎｄｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙｔｏｎｏｒｍａｌｉｎｃｉｄｅｎｔｒ扣 ｄｉａｔｉｏｎ．Ｔｈｅｙａｒｅｐｏｔｅｎｔｉａｌｃａｎｄｉｄａｔｅｓｆｏｒｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇａｎｅｗｃｌａｓｓｏｆｉｎｆｒａｒｅｄｄｅｔｅｃｔｏｒｓ．Ｓｏｍｅｏｆｔｈｅ ｌａｔｅｓｔｐｕｂｌｉｓｈｅｄｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｓｉｎｔｈｅｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓｏｆｑｕａｎｔｕｍｄｏｔｓａｂｒｏａｄａｒｅｓｕｍｍａｒｉｚｅｄａｎｄ ｒｅｖｉｅｗｅｄｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｑｕａｎｔｕｍｄｏｔ；ｑｕａｎｔｕｍ－ｄｏｔｉｎｆｒａｒｅｄｐｈｏｔｏｄｅｔｅｃｔｏｒ；ｉｎｆｒａｒｅｄｄｅｔｅｃｔｏｒ；ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎｔｅｃｈｎｉｑｕｅ １引言 量子点又称为半导体纳米晶体，其体积小于相应半导体玻尔半径所定义的体积．量子点红外光子探测器（ＱＤＩＰ）具有垂直入射光响应、暗电流低，光电导增益大、响应率和探测率高等优点，已成功应用于单元探测器、焦平面器件等各种结构中．量子点的制备是ＱＤＩＰ发展的基础．本文主要介绍近年来国外在与红外有关的量子点制备研究方面的进展。 ２胶体量子点 胶体量子点由化学反应合成，典型地是通过某种有机金属反应路径，不需要超高压设备或者有毒气体．对于Ⅱ一Ⅵ族半导体，其量子点的制备过程是，将反应物分子迅速注入热溶剂中，使其发生成核和生长过程。如图１所示，溶剂中所含的有机分子（配体，ｌｉｇａｎｄ）阻止成核中心变大，并在成核粒子表面生成一层包裹，从而形成胶体量子点。 胶体量子点悬浮在有机溶剂中，可以通过旋涂（ｓｐｉｎｃｏａｔｉｎｇ）等方式定型在各种衬底上，不需要考虑晶格匹配的问题．反应化学物的浓度、 收稿日期?２００８－－０５－－０８ 作者简介?王忆锋（１９６３——），男，湖南零陵人，高级７－程师，目前主要从事器件仿真研究．
光电传感器应用论文
光电传感器 概况: 在科学技术高速发展的现代社会中，人类已经入瞬息万变的信息时代，人们在日常生活，生产过程中，主要依靠检测技术对信息经获取、筛选和传输，来实现制动控制，自动调节，目前我国已将检测技术列入优先发展的科学技术之一。由于微电子技术，光电半导体技术，光导纤维技术以及光栅技术的发展，使得光电传感器的应用与日俱增。这种传感器具有结构简单、非接触、高可靠性、高精度、可测参数多、反应快以及结构简单,形式灵活多样等优点，在自动检测技术中得到了广泛应用，它一种是以光电效应为理论基础，由光电材料构成的器件。 现代电测技术日趋成熟，由于具有精度高、便于微机相连实现自动实时处理等优点，已经广泛应用在电气量和非电气量的测量中。然而电测法容易受到干扰，在交流测量时，频率响应不够宽及对耐压、绝缘方面有一定要求，在激光技术迅速发展的今天，已经能够解决上述的问题。 磁光效应传感器就是利用激光技术发展而成的高性能传感器。激光，是本世纪60年代初迅速发展起来的又一新技术，它的出现标志着人们掌握和利用光波进入了一个新的阶段。由于以往普通光源单色度低，故很多重要的应用受到限制，而激光的出现，使无线电技术和光学技术突飞猛进、相互渗透、相互补充。现在，利用激光已经制成了许多传感器，解决了许多以前不能解决的技术难题，使它适用于煤矿、石油、天然气贮存等危险、易燃的场所。 比如说用激光制成的光导纤维传感器，能测量原油喷射、石油大罐龟裂的情况参数。在实测地点，不必电源供电，这对于安全防爆措施要求很严格的石油化工设备群尤为适用，也可用来在大型钢铁厂的某些环节实现光学方法的遥测化学技术。 磁光效应传感器的原理主要是利用光的偏振状态来实现传感器的功能。当一束偏振光通过介质时，若在光束传播方向存在着一个外磁场，那么光通过偏振面将旋转一个角度，这就是磁光效应。也就是可以通过旋转的角度来测量外加的磁场。在特定的试验装置下，偏转的角度和输出的光强成正比，通过输出光照射激光二极管LD，就可以获得数字化的光强，用来测量特定的物理量。 正文 一、工作原理
光电传感器的认识与应用
光电传感器的认识与应用 内容摘要：传感器是衡量一个国家科学技术发展的重要标志。光电传感器作为传感器中的重要一员，广泛应用于社会生活的各个方面。本文简单介绍了光电传感器的理论基础，以及光电传感器相较于其他传感器的特点及优点和常见的五种光电传感器，同时结合传感器的工作原理，举例说明了传感器在日常生活的常见应用。 关键词：光电传感器、光电效应、光敏材料 一、理论基础 1.光电效应 光电效应通常分为外光电效应和内光电效应两大类。外光电效应是指在光照射下，电子逸出物体表面的外发射的现象，也称光电发射效应，基于这种效应的光电器件有光电管、光电倍增管等。内光电效应是指入射的光强改变物质导电率的物理现象，称为光电导效应，大多数光电控制应用的传感器，如光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管、硅光电池等都属于内光电效应类传感器。 2.工作原理 光电传感器是通过把光强度的变化转换成电信号的变化来实现控制的。一般情况下，有三部分构成，分别为：发送器、接收器和检测电路。发送器对准目标发射光束，发射的光束一般来源于半导体光源，发光二极管(LED)、激光二极管及红外发射二极管。光束不间断地发射，或者改变脉冲宽度。接收器有光电二极管、光电三极管、光电池组成。在接收器的前面，装有光学元件如透镜和光圈等。在其后面是检测电路，它能滤出有效信号和应用该信号。 二、光电传感器的认识 1.结构分析 光电传感器通常由三部分构成，它们分别为：发送器、接收器和检测电路。发射器带一个校准镜头，将光聚焦射向接收器，接收器出电缆将这套装置接到一个真空管放大器上。在金属圆筒内有一个小的白炽灯做为光源，这些小而坚固的白炽灯传感器就是如今光电传感器的雏形。 接收器有光电二极管、光电三极管及光电池组成。光敏二极管是现在最常见的传感器。光电传感器光敏二极管的外型与一般二极管一样，只是它的管壳上开有一个嵌着玻璃的窗口，以便于光线射入，为增加受光面积，PN结的面积做得较大，光敏二极管工作在反向偏置的工作状态下，并与负载电阻相串联，当无光照时，它与普通二极管一样，反向电流很小称为光敏二极管的暗电流;当有光照时，载流子被激发，产生电子-空穴，称为光电载流子。 此外，光电传感器的结构元件中还有发射板和光导纤维。角反射板是结构牢固的发射装置，它由很小的三角锥体反射材料组成，能够使光束准确地从反射板中返回。它可以在与光轴0到25的范围改变发射角，使光束几乎是从一根发射线，
半导体量子点发光
半导体量子点发光 一、半导体量子点的定义 当半导体的三维尺寸都小于或接近其相应物质体相材料激子的玻尔半径（约5.3nm）时，称为半导体量子点。 二、半导体量子点的原理 在光照下，半导体中的电子吸收一定能量的光子而被激发，处于激发态的电子向较低能级跃迁，以光福射的形式释放出能量。大多数情况下，半导体的光学跃迁发生在带边，也就是说光学跃迁通常发生在价带顶和导带底附近。半导体的能带结构可以用图的简化模型来表示。如图所示，直接带隙是指价带顶的能量位置和导带底的能量位置同处于一个K空间，间接带隙是指价带顶位置与导带底位置的K空间位置不同。电子从高能级向低能级跃迁，伴随着发射光子，这是半导体的发光现象。
对于半导体量子点，电子吸收光子而发生跃迁，电子越过禁带跃迁入空的导带，而在原来的价带中留下一个空穴，形成电子空穴对（即激子），由于量子点在三维度上对激子施加量子限制，激子只能在三维势垒限定的势盒中运动，这样在量子点中，激子的运动完全量子化了，只能取分立的束缚能态。激子通过不同的方式复合，从而导致发光现象。原理示意图，如图所示，激子的复合途径主要有三种形式。 (1)电子和空穴直接复合,产生激子态发光。由于量子尺寸效应的作用,所产生的发射光的波长随着颗粒尺寸的减小而蓝移。 (2)通过表面缺陷态间接复合发光。在纳米颗粒的表面存在着许多悬挂键,从而形成了许多表面缺陷态。当半导体量子点材料受光的激发后,光生载流子以极快的速度受限于表面缺陷态而产生表面态发光。量子点的表面越完整,表面对载流子的捕获能力就越弱,从而使得表面态的发光就越弱。 (3)通过杂质能级复合发光。杂质能级发光是由于表面分子与外界分子发生化学反应生成其它杂质，这些杂质很容易俘获导带中的电子形成杂质能级发光。 以上三种情况的发光是相互竞争的。如果量子点的表面存在着许多缺陷,对电子和空穴的俘获能力很强,电子和空穴一旦产生就被俘获,使得它们直接复合的几率很小,从而使得激子态的发光就很弱,甚至可以观察不到,而只有表面缺陷态的发光。 为了消除由于表面缺陷引起的缺陷态发光而得到激子态的发光,常常设法制备表面完整的量子点或者通过对量子点的表面进行修饰来减少其表面缺陷,从而使电子和空穴能够有效地直接复合发光。
钙钛矿量子点的保护以及荧光传感应用
钙钛矿量子点的保护以及荧光传感应用 卤化铅钙钛矿是近年来兴起的半导体材料,由于其在光伏电池中的出色性能(光电转化效率超过20%)被研究者广泛关注。和传统的镉基量子点相比,钙钛矿纳米晶具有优秀的光学性质,例如高荧光量子产率(最高达100%),覆盖整个可见光区的可调发射光谱(从400-700 nm),相对低温的合成途径(从室温至150 ℃)等。 这些优越的特性使钙钛矿量子点在光电器件领域具有潜在的应用价值,例如太阳能电池/发光二极管/光泵浦激光/光检测器等。然而,钙钛矿量子点对湿度、氧气、极性和非质子溶剂以及热分解的不稳定性,影响了它们的进一步研究和分析方面的应用。 本论文共四章。第一章,文献综述。 主要介绍了钙钛矿量子点研究的发展过程,包括钙钛矿量子点的合成方法,光物理化学性质,稳定性的影响因素,现有的稳定方法,以及在光电和传感等方面的应用,并提出本论文的研究思路及其意义。第二章,利用研磨法制备有机无机杂化钙钛矿材料,探索其在湿度荧光传感的应用。 研究工作考察了其湿度传感的灵敏度和检测限,通过耦合红色荧光化合物,获得了一种比色型的荧光湿度传感器,达到了肉眼分辨湿度的效果,实验还考察了该传感器的稳定性。第三章,利用分子晶体苯甲酸作为包埋钙钛矿量子点的基质,不需要配体交换,进行量子点在苯甲酸晶体中的嵌入。 通过稳定性试验,考察晶体本身致密的结构对量子点的稳定性的影响。利用透射电子显微镜和激光共聚焦倒置荧光显微镜,观测量子点在苯甲酸晶体内部的分布。
通过荧光光谱和荧光寿命、荧光量子产率的测量,研究包埋量子点前后的光学性质特别是荧光性质的变化。实验利用这种复合晶体进行了暖白光LED的构建。 第四章,利用CsPbBr3NC量子点,通过固态阴阳离子的一步交换,获得了分散在KC1表面的CsPbC13-MnNC。利用KC1的多晶体软塑性成形的性质,通过压片成型,获得了具有橙红色荧光且发光可调的固态发光材料。 利用电感耦合等离子体质谱和荧光寿命的测量,证明了 Mn的掺杂。由于CsPbC13至Mn的能量转移效应,获得了强荧光的Mn发射,并用于光致发光的LED 颜色转换层。
生物传感器的应用现状及发展前景
生物传感器的应用现状及发展前景 摘要：到来后，获取准确可靠的信息对现代化生产有着重大作用，而传感器是获取自然和生产领域中信息的主要途径与手段。其中生物传感器早已渗透到国民经济的各个部门如食品、制药、、、环境监测等方面。生物传感器专一性好、易操作、设备简单、测量快速准确、适用范围广。随着固定化技术的发展，生物传感器在市场上具有极强的竞争力。生物传感器的研究开发，已成为世界科技发展的新热点。相信不久的将来，生物传感器技术将会出现一个飞跃，达到与其重要地位相称的新水平。 关键词：生物传感器、应用、前景 一、传感器概述 传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。GB7665-87对传感器下的定义是：“能感受规定的被测量件并按照一定的规律(法则)转换成可用信号的器件或装置，通常由和转换元件组成”。 随着的到来，世界开始进入。在利用信息的过程中，首先要解决的就是要获取准确可靠的信息，而传感器是获取自然和生产领域中信息的主要途径与手段。 在现代工业生产尤其是自动化生产过程中，要用各种传感器来监视和控制生产过程中的各个参数，使设备工作在正常状态或最佳状态，并使产品达到最好的质量。因此可以说，没有众多的优良的传感器，现代化生产也就失去了基础。 传感器早已渗透到工业生产、宇宙开发、海洋探测、环境保护、资源调查、医学诊断、生物工程、甚至文物保护等各个领域。可以毫不夸张地说，从茫茫的太空，到浩瀚的海洋，以至各种复杂的工程系统，几乎每一个现代化项目，都离不开各种各样的传感器。 由此可见，在发展经济、推动社会进步方面的重要作用，是十分明显的。世界各国都十分重视这一领域的发展。相信不久的将来，传感器技术将会出现一个飞跃，达到与其重要地位相称的新水平。 传感器的特点主要有微型化、数字化、智能化、多功能化、系统化、网络化，它不仅促进了传统产业的改造和更新换代，而且还可能建立新型工业，从而成为21世纪新的经济增长点。 常见传感器有、、、、、、、以及等。 二、生物传感器概述 生物传感器是用生物活性材料（酶、、、抗体、抗原等）与换能器有机结合的一门交叉学科，是发展生物技术必不可少的一种先进的检测方法与监控方法，也是物质分子水平的快速、微量分析方法。 1967年.乌普迪克等制出了第一个生物传感器--葡萄糖传感器。将包含在聚丙烯酰胺胶体中加以固化，再将此胶体膜固定在隔膜氧电极的尖端上，便制成了这种葡萄糖传感器。 生物传感器的分类： ⑴按照感受器生命物质分类，可分为：微生物传感器、免疫传感器、组织传感器、细胞传感器、、DNA传感器等等。
光电传感器的发展与应用
光电传感器的发展与应用 【摘要】光电传感器是采用光电元件作为检测元件的传感器，具有反应快、精度高、非接触等优点，而且可测参数多，传感器的结构简单，形式灵活多样。因此,光电式传感器在检测和控制领域中应用非常广泛。 【关键词】光电传感器、发展、应用 [Abstract]: Photoelectric sensor is a kind of sensor using optoelectronic components as the detecting element, it has the advantages of fast response, high-precision, non-contact, simple structure, flexible forms, and it can detect various parameters. So, photoelectric sensor is widely used in the fields of detection and controlling. Keywords: Photoelectric sensor, development, application 1．引言 光电传感器是采用光电元件作为检测元件的传感器。它首先把被测量的变化转换成光信号的变化，然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信号。光电传感器一般由光源、光学通路和光电元件三部分组成。光电检测方法具有精度高、反应快、非接触等优点，而且可测参数多，传感器的结构简单，形式灵活多样，因此,光电式传感器在检测和控制中应用非常广泛[1]。 由于光电传感器的应用涉及的领域非常广泛，其研究和开发在世界上引起了高度重视，各国更是竞相研究开发并引起激烈的竞争。从最初的应用于军事逐渐发展到民事，而且与我们的生活息息相关，应该说现代化的生活离不开光电传感器的参与，如传真机、复印机、扫描仪、打印机、车库开门器、液晶显示器、色度计、分光计、汽车和医疗诊断仪器等等不胜枚举。美国是研究光电传感器起步最早、水平最高的国家之一，在军事和民用领域的应用发展得十分迅速。在军事应用方面，研究和开发主要包括：水下探测、航空监测、核辐射检测等。美国也是最早将光电传感器用于民用领域的国家。如运用光电传感器监测电力系统的电流、温度等重要参数，检测肉类和食品的细菌和病毒等。美国的邦纳公司拥有世界最健全的光电传感器产品线，超过12000种产品包括自含式或放大器分离型，限位开关外型或小型传感器，精密检测或长距离检测传感器，检测距离长达305 m。并且拥有行业内最齐全的标准光纤和定制光纤产品。大部分产品防护等级达到NEMA 6P和IP67。日本和西欧各国也高度重视并投入大量经费开展光电传感器的研究与开发。20 世纪90 年代，由东芝、日本电气等15 家公司和研究机构，研究开发出多种具有一流水平的民用光电传感器，日本的电器产品以价格适中质量好而响誉全球。西欧各国的大型企业和公司也积极参与了光电传感器的研发和市场竞争。我国对光电传感器研究的起步时间与国际相差不远。目前，已有上百个单位在这一领域开展工作，主要是在光电温度传感器、压力计、流量计、液位计、电流计等领域进行了大量的研究，取得了上百项科研成果，有的达到世界先进水平。但与发达国家相比，我国的研究水平还有不小的差距，主要表现在商品化和产业化方面，大多数品种仍处于实验研制阶段，还无法投入批量生产和工程化应用[2]。