硅量子点受激发光和传感技术的研究

Different size silicon quantum dots emit different wavelength fluorescence exposed to laser, and when surface dangling bonds connect with other clusters and molecules, the intensity of photoluminescence will increase due to the forming of localized states. Compared with II-IV compounds and organic dyes, silicon quantum dots have low toxicity, the narrow emission spectrum, high luminous efficiency and stabilized photochemical properties. These outstanding optical properties offer possibility for the development of new fluorescent probes and are expected to be applied to the microfluidic detection of biological samples. This project will study: 1) Using FTIR, EPR spectroscopy and perturbation theory calculations, the surface chemical bonds and local structures of silicon quantum dots will be determined, and photoluminescence mechanisms will be clarified through the study of optical fiber gas sensor based on silicon quantum dots in response to volatile organic gases. 2) The investigation of micro-ring resonator based on silicon quantum dots and exploration of the sensing mechanism. The simulation models and numerical calculation methods of whispering gallery modes (WGMs) will be established, optimizing the structure data of sensor and improving the sensitivity and lower detection limits. The research and development of this project will provide solid theoretical basis for learning emitting mechanism of silicon quantum dots, study of optical micro-cavity sensors with advantages of environmentally friend, low-cost, highly sensitivity, and the applications of environmental monitoring and microfluidic detection of biological sample.

不同尺寸硅量子点在激光辐照下会发出不同波长的荧光，且硅量子点的表面悬挂键与其它原子团、分子作用形成的局域态会导致荧光峰强度增加。相比II-VI族化合物和有机染料，硅量子点毒性低，发光光谱窄，发光效率高，光化学性能稳定。这些优良的光学性质为发展新型荧光探针提供了可能，并有望应用于生物样品微流检测。本项目将研究：1) 利用FTIR谱、EPR谱和微扰理论计算方法确定硅量子点表面化学键和局部结构，并通过开发硅量子点光纤气敏传感器在挥发性有机气体中的响应研究硅量子点的受激发光机制；2）研究基于硅量子点微环谐振腔传感器，探索传感机制。建立回音壁模式 (WGMs) 的仿真模型和数值计算方法，优化传感器的结构数据提高灵敏度，降低探测极限。本项目的研究和开发为研究硅量子点的发光机制提供理论基础，为研制对环境友好，低成本，高灵敏的光学微腔传感器及其在环境监测和生物样品微流检测等方面奠定坚实理论。

本项目较系统地研究了硅基气体液体传感器。对于硅团簇，我们借助高斯09软件，采用密度泛函B3LYP方法和6-31G（d）高斯型分子轨道基组优化基态和激发态的结构和频率，通过模拟给出不同表面结构的硅量子点的结构和频率、电子的最高占据分子轨道与最低未占据分子轨道之间的能隙以及电子态密度图，从而分析光激发的硅量子点在不同气氛中的表面结构和电子能级的变化以及它们的吸收谱和荧光谱的增减和峰位的漂移。另外我们也做了硅量子点对不同浓度有机气体和不同碳链长度的有机气体的检测分析。优化结构模拟结果表明，Si-OH和Si=O团簇的结合能最大，因此结构也更稳定。Si=O结构的能量带隙Eg(ELUMO-EHOMO)相比于Si-H结构的变化也是最大的。我们对各种可能的表面结构做了UV-vis光谱分析，表明Si=O结构的光谱在780nm左右，相对于Si-H结构红移了一段波长, 相应的能量减小了2.92eV,这种发射的波长和实验中2-3 nm的硅量子点的发射波长几乎一致。当然，硅量子点颗粒的大小还会进一步影响发射波长。另外，随着有机气体碳链的增长，饱和气体的蒸汽压降低，这也影响荧光峰的增强的快慢，从而可以反映外界气体浓度的变化。对于基于硅量子点的微环谐振腔，我们采用时域有限差分方法模拟分析了腔内的光波模式的移动，劈裂和线宽的展宽，并建立了它们和此微环谐振腔传感器的折射率传感和颗粒传感的联系。结果表明共振波长随腔内物质折射率增大而增大，当腔内折射率为1.48时，灵敏度为28.5 nm/RIU。考虑颗粒对光波的散射和吸收，颗粒的大小和数量也由光场的模式劈裂状况所决定。