量子论文题目范文第1篇
量子通信，看到这个词，你一定不觉得陌生。它主要分为量子隐形传态和量子密钥分发两个类型，具有无法被窃听和无法被计算破解的绝对安全性，是未来保障网络信息安全的一种非常有潜力的技术，近年来多次登上热搜榜。
全世界科学家一直在進行这方面的研究。其中，我国科学家站在了前列。中国科学技术大学潘建伟团队与中国科学院上海技术物理研究所等单位合作，构建了世界上首个天地一体化量子通信网络，进行了两年多的稳定性和安全性测试、标准化研究，并已在政务、金融、电力等不同领域内开展应用示范。
科研人员在量子保密通信“京沪干线”与墨子号量子科学实验卫星成功对接的基础上，构建了广域量子通信网络，实现了星地一体的大范围、多用户量子密钥分发。整个网络覆盖我国4省3市32个节点，包括北京、济南、合肥、上海4个量子城域网，通过两个卫星地面站与“墨子号”相连，总距离4600千米。据悉，“京沪干线”可以抵御目前所有已知的量子黑客攻击，网络密钥分发量能支持1.2万多家用户同时使用。
量子论文题目范文第2篇
关键词：量子化学 材料 能源 生物大分子
量子化学是将量子力学的原理应用到化学中而产生的一门学科，经过化学家们的努力，量子化学理论和计算方法在近几十年来取得了很大的发展，在定性和定量地阐明许多分子、原子和电子尺度级问题上已经受到足够的重视。目前，量子化学已被广泛应用于化学的各个分支以及生物、医药、材料、环境、能源、军事等领域，取得了丰富的理论成果，并对实际工作起到了很好的指导作用。本文仅对量子化学原理及方法在材料、能源和生物大分子体系研究领域做一简要介绍。
一、 在材料科学中的应用
(一)在建筑材料方面的应用
水泥是重要的建筑材料之一。1993年，计算量子化学开始广泛地应用于许多水泥熟料矿物和水化产物体系的研究中，解决了很多实际问题。
钙矾石相是许多水泥品种的主要水化产物相之一，它对水泥石的强度起着关键作用。程新等[1 ,2]在假设材料的力学强度决定于化学键强度的前提下，研究了几种钙矾石相力学强度的大小差异。计算发现，含Ca 钙矾石、含Ba 钙矾石和含Sr 钙矾石的Al -O键级基本一致，而含Sr 钙矾石、含Ba 钙矾石中的Sr，Ba 原子键级与Sr-O，Ba -O共价键级都分别大于含Ca 钙矾石中的Ca 原子键级和Ca -O共价键级，由此认为，含Sr 、Ba 硫铝酸盐的胶凝强度高于硫铝酸钙的胶凝强度[3]。
将量子化学理论与方法引入水泥化学领域，是一门前景广阔的研究课题，它将有助于人们直接将分子的微观结构与宏观性能联系起来，也为水泥材料的设计提供了一条新的途径[3]。
(二) 在金属及合金材料方面的应用
过渡金属(Fe 、Co、Ni)中氢杂质的超精细场和电子结构，通过量子化学计算表明，含有杂质石原子的磁矩要降低，这与实验结果非常一致。闵新民等[4]通过量子化学方法研究了镧系三氟化物。结果表明，在LnF3中Ln原子轨道参与成键的次序是：d>f>p>s，其结合能计算值与实验值定性趋势一致。此方法还广泛用于金属氧化物固体的电子结构及光谱的计算[5]。再比如说，NbO2是一个在810℃具有相变的物质(由金红石型变成四方体心)，其高温相的NbO2的电子结构和光谱也是通过量子化学方法进行的计算和讨论，并通过计算指出它和低温NbO2及其等电子化合物VO2在性质方面存在的差异[6]。
量子化学方法因其精确度高，计算机时少而广泛应用于材料科学中，并取得了许多有意义的结果。随着量子化学方法的不断完善，同时由于电子计算机的飞速发展和普及，量子化学在材料科学中的应用范围将不断得到拓展，将为材料科学的发展提供一条非常有意义的途径[5]。
二、在能源研究中的应用
(一)在煤裂解的反应机理和动力学性质方面的应用
煤是重要的能源之一。近年来随着量子化学理论的发展和量子化学计算方法以及计算技术的进步，量子化学方法对于深入探索煤的结构和反应性之间的关系成为可能。
量子化学计算在研究煤的模型分子裂解反应机理和预测反应方向方面有许多成功的例子, 如低级芳香烃作为碳/ 碳复合材料碳前驱体热解机理方面的研究已经取得了比较明确的研究结果。由化学知识对所研究的低级芳香烃设想可能的自由基裂解路径，由Guassian 98 程序中的半经验方法UAM1 、在UHF/ 3-21G*水平的从头计算方法和考虑了电子相关效应的密度泛函UB3L YP/ 3-21G*方法对设计路径的热力学和动力学进行了计算。由理论计算方法所得到的主反应路径、热力学变量和表观活化能等结果与实验数据对比有较好的一致性，对煤热解的量子化学基础的研究有重要意义[7]。
(二)在锂离子电池研究中的应用
锂离子二次电池因为具有电容量大、工作电压高、循环寿命长、安全可靠、无记忆效应、重量轻等优点，被人们称之为“最有前途的化学电源”，被广泛应用于便携式电器等小型设备，并已开始向电动汽车、军用潜水艇、飞机、航空等领域发展。
锂离子电池又称摇椅型电池，电池的工作过程实际上是Li + 离子在正负两电极之间来回嵌入和脱嵌的过程。因此，深入锂的嵌入-脱嵌机理对进一步改善锂离子电池的性能至关重要。Ago 等[8] 用半经验分子轨道法以C32 H14作为模型碳结构研究了锂原子在碳层间的插入反应。认为锂最有可能掺杂在碳环中心的上方位置。Ago 等[9 ] 用abinitio 分子轨道法对掺锂的芳香族碳化合物的研究表明，随着锂含量的增加，锂的离子性减少，预示在较高的掺锂状态下有可能存在一种Li - C 和具有共价性的Li - Li 的混合物。Satoru 等[10] 用分子轨道计算法，对低结晶度的炭素材料的掺锂反应进行了研究，研究表明，锂优先插入到石墨层间反应，然后掺杂在石墨层中不同部位里[11]。
随着人们对材料晶体结构的进一步认识和计算机水平的更高发展，相信量子化学原理在锂离子电池中的应用领域会更广泛、更深入、更具指导性。
三、 在生物大分子体系研究中的应用
生物大分子体系的量子化学计算一直是一个具有挑战性的研究领域，尤其是生物大分子体系的理论研究具有重要意义。由于量子化学可以在分子、电子水平上对体系进行精细的理论研究，是其它理论研究方法所难以替代的。因此要深入理解有关酶的催化作用、基因的复制与突变、药物与受体之间的识别与结合过程及作用方式等，都很有必要运用量子化学的方法对这些生物大分子体系进行研究。毫无疑问，这种研究可以帮助人们有目的地调控酶的催化作用,甚至可以有目的地修饰酶的结构、设计并合成人工酶;可以揭示遗传与变异的奥秘, 进而调控基因的复制与突变，使之造福于人类;可以根据药物与受体的结合过程和作用特点设计高效低毒的新药等等，可见运用量子化学的手段来研究生命现象是十分有意义的。
综上所述，我们可以看出在材料、能源以及生物大分子体系研究中，量子化学发挥了重要的作用。在近十几年来，由于电子计算机的飞速发展和普及，量子化学计算变得更加迅速和方便。可以预言，在不久的将来，量子化学将在更广泛的领域发挥更加重要的作用。
参考文献：
[1]程新. [ 学位论文] .武汉:武汉工业大学材料科学与工程学院,1994
[2]程新,冯修吉.武汉工业大学学报,1995,17 (4) :12
[3]李北星,程新.建筑材料学报,1999,2(2):147
[4]闵新民,沈尔忠, 江元生等.化学学报,1990,48(10): 973
[5]程新,陈亚明.山东建材学院学报,1994,8(2):1
[6]闵新民.化学学报,1992,50(5):449
[7]王宝俊,张玉贵,秦育红等.煤炭转化,2003,26(1):1
[8]Ago H ,Nagata K, Yoshizaw A K, et al. Bull.Chem. Soc. Jpn.,1997,70:1717
[9]Ago H ,Kato M,Yahara A K. et al. Journal of the Electrochemical Society, 1999, 146(4):1262
[10]Satoru K,Mikio W,Shinighi K. Electrochimica Acta 1998,43(21 - 22):3127
[11]麻明友, 何则强, 熊利芝等.量子化学原理在锂离子电池研究中的应用.吉首大学学报,2006,27(3):97.
量子论文题目范文第3篇
格林函数法是一种用来求解非齐次微分方程初边界值问题的方法体系，特别对于非平衡问题，被证明是十分有价值的方法。
本书对平衡与非平衡状态问题的格林函数法进行了教学性的介绍。
本书分为16章：1.二次量化，包括单粒子量子力学、多粒子量子力学、全同粒子量子力学、场算符、二次量化哈密顿量、密度矩阵与量子平均；2.进一步认识二次量化：模型哈密顿量，包括帕里泽-帕尔-波普尔模型、非相互作用模型、哈勃德模型、海森堡模型、BCS模型；3.时变问题与运动方程，包括演化算符、海森堡图景算符的运动方程、含有顺磁反磁电流的连续方程、洛伦兹力；4.围道，包括含时量子平均、含时总体平均、初始平衡与绝热开关、围道运动方程、围道算符相关因子；5.多体格林函数，包括马丁-施温格层级结构、层级结构的截断、威克理论层级结构的解法等；6.单粒子格林函数，包括非相互作用格林函数、相互作用格林函数与莱曼表象等；7.平均场近似，包括哈特里近似、哈特里-福克近似；8.保守近似：双粒子格林函数，保留近似是将连续方程连同其他基本守恒定律一起保留下来的近似法，本章包括G2近似、动量守恒定律、角动量守恒定律、能量守恒定律等；9.保守近似：自能(selfenergy)，包括戴森方程、Σ近似、Φ泛函、卡丹诺夫-贝姆方程等；10.格林函数的多体微扰理论（MBPT）；11.巨势的多体微扰理论与变分原理；12.双粒子格林函数的多体微扰理论；13.MBPT对平衡问题的应用；14.线性响应理论：预备知识，包括简单的介绍、线性响应理论的缺点、费米黄金定则、久保公式；15.线性响应理论：多体公式；16.MBPT对非平衡问题的应用。
本书附录有16节：1.从1的N次方到迪拉克δ函数；2.恒等式变形的图解；3.密度矩阵与概率解释；4.热力学与统计力学；5.格林函数与点阵对称；6.渐近展开；7.一般初始状态的威克定理；8.BBGKY 谱系；9.从δ形峰到连续谱函数；10.保留近似的维里定理；11.费米面的动量分布；12.生成泛函赫定方程；13.李普曼-施温格方程与横截面；14.为何它被称为随机相位近似？15.克拉茂-克朗尼希关系；16.卡丹诺夫-贝姆方程算法。
本书作者Gianluca Stefanucci是意大利罗马第二大学物理学院的研究员，他的研究方向是纳米结构与非平衡开放系统的量子输运。
本书从基本量子力学开始，介绍了平衡与非平衡格林函数，一步一步地推出每一个结果，并应用于金属、半导体分子和纳米结构这样不同的物理体系。文中有丰富的例证，本书适合所有对物质的激发态特征与非平衡态物理感兴趣的大学生与研究人员阅读。
王小珊，博士生
量子论文题目范文第4篇
115年前，马可尼发出第一个越洋无线电信号的那一天，什么都没有改变。没有人能预计到接下来100年间通信会把这个世界变成什么样子——但每一个在场的人都知道，世界一定会因此而改变。
今天，我们站在了和他们一样的位置上：2016年8月16日，世界上第一颗量子通信卫星“墨子号”从酒泉升空了。
墨子可能是第一个发现光沿直线传播的中国人，而“墨子号”则可能改变我们世界中信息传播的方式。它将第一次在太空中实现最先进也最安全的信息传送手段——量子通信；这不但是未来覆盖全球的量子通信网络的先驱，甚至还有助于进一步验证量子理论自身的完备性。
量子隐形传态：真正意义上的量子通信
发展量子通信技术的终极目标，是构建广域乃至全球范围内绝对安全的量子通信网络体系。而想建设覆盖全球的量子通信网络，必须依赖多颗量子通信卫星。“墨子号”量子科学实验卫星，就是未来一系列量子通信卫星的探路者。
“墨子号”的重要科学目标之一，就是在卫星和地面之间进行高速量子密钥分发，并在此基础上进行广域量子密钥网络实验，以期在空间量子通信实用化方面取得重大突破。它将在卫星与地面之间展开量子密钥分发实验，甚至将在北京和维也纳之间尝试超远距离的洲际量子密钥分发。它还将尝试与地面光纤量子通信网络链接，为未来覆盖全球的天地一体化量子通信网络建立技术基础。
尽管“量子密钥分配”能为经典比特的传输建立牢不可破的保密通信，但严格来说，它传递的并不是真正的量子比特。在量子通信中还有另一个被称为“量子隐形传态”的方向，能利用量子纠缠来直接传输量子比特——那才是真正意义上的量子通信方式。
量子力学中最神秘的就是叠加态，而“量子纠缠”正是多粒子的一种叠加态。以双粒子为例，一个粒子A可以处于某个物理量的叠加态，能够用一个量子比特来表示，同时另一个粒子B也可以处于叠加态。当两个粒子发生纠缠，就会形成一个双粒子的叠加态，也就是纠缠态。例如，有一种纠缠态就是，无论两个粒子相隔多远，只要没有外界干扰，当A粒子处于0态时，B粒子一定处于1态；反之，当A粒子处于1态时，B粒子一定处于0态。
这种跨越空间瞬间影响双方的量子纠缠，曾经被爱因斯坦称为“鬼魅的超距作用”（spooky action at a distance），并以此来质疑量子力学的完备性，因为这个超距作用违反了他提出的“定域性”原理，即任何空间上相互影响的速度都不能超过光速。这就是著名的“EPR佯谬”。
后来物理学家玻姆在爱因斯坦的定域性原理基础上，提出了“隐变量理论”来解释这种超距相互作用。不久物理学家贝尔提出了一个不等式，可以来判定量子力学和隐变量理论谁正确。如果实验结果符合贝尔不等式，则隐变量理论胜出。如果实验结果违反了贝尔不等式，则量子力学胜出。
贝尔不等式的意义
随后的一次又一次实验，结果都违反了贝尔不等式，证实了量子力学才是对的，爱因斯坦的定域性原理必须被舍弃。2015年，荷兰物理学家做的最新无漏洞贝尔不等式测量实验，基本宣告了定域性原理的死刑。
因为这神奇的量子纠缠是非局域的，两个纠缠的粒子无论相距多远，测量其中一个粒子的状态，必然能同时获得另一个粒子的状态，而这个“信息”的获取又不受光速限制，物理学家自然想到，能否利用这种跨越空间的纠缠态进行信息传输？于是，基于量子纠缠态的量子通信应运而生，这种试图通过跨越空间的量子纠缠来实现对量子比特的传输的通信方式，被称为“量子隐形传态”。
利用量子隐形传态的过程，可以通过量子纠缠，把一个量子比特无损地从一个地点传送到另一个地点。这也是量子通信目前最主要的方式。需要指出的是，由于其中有通过经典通信方式传递的步骤，因此也就限制了整个量子隐形传态的速度，导致量子隐形传态的信息传输速度实际上无法超过光速。
量子计算需要直接处理量子比特，“量子隐形传态”这种直接传递量子比特的传输，将成为未来量子计算之间的量子通信方式。量子隐形传态和量子计算机终端，未来可以构成纯粹的量子信息传输和处理系统，也就是真正意义上的量子互联网。这将是未来量子信息时代最显著的标志。
在量子纠缠和量子隐形传态领域，“墨子号”量子科学实验卫星同样肩负着重要的科学目标，那就是在空间尺度上通过实验来检验量子力学本身的完备性。这个科学目标，在身为量子物理学首席科学家的潘建伟院士看来，或许比建立天地一体化的量子保密通信网络来得更显诱人。
目前已经有很多实验证明了量子力学的纠缠态，但在长距离大范围条件下进行上千千米量级的量子纠缠态观测，还从来没有人实现过。“墨子号”量子科学实验卫星上携带着量子纠缠光源，可以从太空同时向两个地面站分发纠缠光子。完成量子纠缠分发之后，再对地面站的两个纠缠光子同时进行独立的贝尔态测量，便可以在超过上千千米的距离上对贝尔不等式是否成立进行检验。
不仅如此，科学家还将利用“墨子号”卫星，通过量子隐形传态的方式，将微观量子态直接从地面传送到太空中去。尽管传送的只是量子态而非粒子本身，并且这种量子通信方式也不可能超越光速，但至少从某种意义上，地星量子隐形传态实验将实现科幻小说里经常出现的一种进入太空的方式——直接传送上去。
“墨子号”：将科学转变为技术
对于这些针对量子力学有效性的科学实验，美国麻省理工学院物理学教授Vladan Vuletic是这样评价的：“量子力学走到今天，已经在很多不同的环境和体系下被检验过多次，几乎不会有人真的以为，在延伸到太空甚至更远的距离上，量子力学本身就会不再有效。不过，这一点如果能够经过实验验证的话，当然更好。”
“从个人而言，我并不指望卫星实验能够教给我们任何我们尚不了解的量子力学和有关量子奇特性质的知识。然而，量子科学实验卫星项目却有着非常重大的意义，它将会把科学转变为技术：如果实验成功，它将有可能建立比经典物理学更强有力的地面系统与空间系统链接。然后，这种链接可以在实际上用于安全的信息交流。因此，爱因斯坦对量子物理学的反对就会转变成一种交流工具，这将是一个非常激动人心的进展。”
“墨子号”量子科学实验卫星只是一个开始。从长远来看，“要实現全球化量子通信，还需要长期的努力，特别是需要多颗卫星的组网”，量子科学实验卫星科学应用系统总师兼卫星系统副总师、中国科大微尺度物质科学国家实验室研究员彭承志表示。
这条征途没有尽头。好在这一回，中国站在了最前面。
量子论文题目范文第5篇
《材料力学》大纲
Ⅰ.性质
普通高等学校本科插班生招生考试是由专科毕业生参加的选拔性考试。高等学校根据考生的成绩，按已确定的招生计划，德、智、体全面衡量，择优录取。因此，本科插班生考试应有较高的信度、效度、必要的区分度和适当的难度。
Ⅱ.考试内容
总要求：《材料力学》是土木工程专业学生必修的一门专业基础课，是学习结构力学和其它专业课程的基础。要求学生掌握杆件变形的基本形式和研究方法，熟悉材料的力学性能和有关实验方法。具体要求掌握杆件拉伸(压缩)、扭转、剪切、弯曲的基本分析方法，学会各种情况下应力和变形的计算以及利用强度条件和刚度条件进行计算。
各章具体要求如下：
一、绪论
(一)知识范围
1、材料力学的任务
2、可变形固体的基本性质
3、杆件变形的基本形式
(二)要求
1、明确材料力学的任务，掌握保证构件(杆件)正常工作必须满足强度、刚度、稳定性的要求
2、理解并掌握可变形固体的基本性质及其基本假设
3、掌握杆件的几何特征、杆件变形的基本形式：轴向拉伸(压缩)、剪切、扭转、弯曲
二、轴向拉伸与压缩
(一)知识范围
1、轴向拉伸与压缩的概念
2、内力、截面法、轴力和轴力图
3、横截面及斜截面上的应力
4、拉(压)杆变形、胡克定律
5、拉(压)应变能
6、材料在拉(压)时的力学性能
7、应力集中概念
(二)要求
1、理解轴向拉伸与压缩的概念
2、掌握内力的概念、用截面法求内力、轴力和轴力图的画法
3、掌握应力的概念、横截面上应力的计算公式以及通过横截面的应力求斜截面上的应力
4、掌握拉(压)杆变形的计算、胡克定律的两种表达形式，并会运用
5、了解能量守恒定律，理解拉(压)杆内应变能的计算公式
6、了解测量材料力学性能的基本实验方法，了解一些典型材料在拉(压)时的力学性能
7、了解应力集中的概念
三、扭转
(一)知识范围
1、薄壁筒的扭转
2、力偶矩、扭矩和扭矩图
3、等直圆杆的扭转
4、等直非圆杆的扭转
(二)要求
1、理解等直杆扭转的基本概念，掌握薄壁筒扭转切应力、切应变计算公式、剪切胡克定律
2、掌握力偶矩、扭矩的计算，会画扭矩图
3、掌握等直圆杆扭转时横截面上应力的计算公式、切应力互等定理、扭转强度条件;掌握等直圆杆扭转时的扭转角变形计算以及刚度条件;理解等直圆杆扭转时的应变能计算方法
4、了解等直非圆杆扭转时应力的计算方法
四、弯曲内力
(一)知识范围
1、平面弯曲基本概念
2、梁的剪力与弯矩
3、剪力方程、弯矩方程、剪力图、弯矩图
4、弯矩、剪力与分布荷载的关系及其应用
5、用叠加法作弯矩图
6、平面钢架和曲杆的内力图
(二)要求
1、理解平面弯曲的基本概念、梁的计算简图的三种基本形式
2、熟练掌握用截面法和简易法求梁任一横截面的剪力与弯矩
3、掌握列剪力方程、弯矩方程的方法，熟练绘制剪力图、弯矩图
4、掌握弯矩、剪力与分布荷载的关系及其应用
5、理解叠加原理，掌握使用叠加法作弯矩图
6、掌握平面钢架和曲杆的内力图的画法
五、弯曲应力
(一)知识范围
1、纯弯曲时梁上的正应力
2、纯弯曲理论在横力弯曲中的推广、梁的正应力条件
3、梁横截面上的剪应力、梁的件应力强度条件
4、梁的合理设计
(二)要求
1、了解纯弯曲时梁上正应力计算公式的推导过程，掌握正应力的计算
2、理解纯弯曲理论在横力弯曲中的推广，熟记正应力的计算公式，掌握梁的正应力强度条件及其应用
3、掌握梁横截面上的切应力的计算公式及梁的切应力强度条件的应用
4、了解梁的合理设计常采用的几种措施
六、弯曲位移
(一)知识范围
1、梁的位移，梁的挠曲线近似微分方程及其积分
2、按叠加原理计算梁的挠度和转角
3、梁的刚度校核、提高梁的刚度的措施
4、梁的弯曲应变能
(二)要求
1、理解梁的位移的基本概念，掌握梁的挠曲线近似微分方程及其积分求位移方程的方法
2、理解并掌握按叠加原理计算梁的挠度和转角的方法
3、掌握梁的刚度条件及应用，了解提高梁的刚度的措施
4、了解梁的弯曲应变能的计算
七、简单超静定问题的解法
(一)知识范围
1、简单超静定问题概述
2、轴向拉(压)超静定
3、扭转超静定
4、简单超静定梁
(二)要求
1、掌握什么是超静定问题、会判断超静定次数
2、掌握简单轴向拉(压)超静定问题的求解
3、掌握简单扭转超静定问题的求解
4、掌握简单超静定梁的求解
Ⅲ.考试形式及试卷结构
1、考试形式为闭卷、笔试，试卷满分为100分，考试时间为120分钟，考生使用答题纸答题。
2、试卷内容比例：轴向拉伸(压缩)约20%，扭转约20%，弯曲约60%。
3、试卷题型均为计算题。
4、试卷难易比例：易、中、难分别约为40%、40%、20%。
Ⅳ.参考书目
1、孙训方、方孝淑、关来泰编：《材料力学(I)》第四版，高等教育出版社，2002。
2、袁海庆主编：《材料力学》，武汉工业大学出版社，2000。
量子论文题目范文第6篇
零维的石墨烯量子点(grapheme quantum dots, GQDs)，由于其尺寸在10nm以下，同二维的石墨烯纳米片和一维的石墨烯纳米带相比，表现出更强的量子限域效应和边界效应，因此，在许多领域如太阳能光电器件，生物医药，发光二极管和传感器等有着更加诱人的应用前景。 GQDs的制备 GQDs具有特殊的结构和独特的光学性质，即有量子点的光学性质又有氧化石墨烯特殊的结构特征。GQDs的粒径大多在10 nm左右，厚度只有0.5到1.0 nm，表面含有羟基、羰基、羧基基团，使得其具有良好的水溶性。
GQDs的制备方法有自上而下法(top-down)与自下而上法(bottom-up)两种。top-down 法指将大片的石墨烯母体氧化切割成尺寸较小的石墨烯纳米片，经进一步剪切成GODs，主要有水热法、电化学法和化学剥离碳纤维法。
水热法是制备GQDs最为常见的一种方法，先将氧化石墨烯在氮气保护下热还原为GNSs，接着将GNSs置于混酸(混酸体积比 VH2SO4/VHNO3 =1:3)中超声氧化，再将氧化的GNSs置于高压反应釜中200℃热切割。反应机理如图3所示， Pan等采用该方法化学切割石墨烯制备GQDs，其径主要分布在5-14 nm，并发现量子点在紫外区有较强光学吸收，吸收峰尾部扩展到可见区。光致发光光谱一般是宽峰并且与激发波长有关，当激发波长从300到407 nm变化，发射峰向长波方向移动，激发波长为60nm时，量子点发出明亮的蓝色光，此时发射峰最强。
图3. 水热法制备GQDs反应机理
Fig. 3 mechanism for the preparation of GQDs by hydrothermal method
Jin等采用两步法，先用水热法制备出GQDs，再将聚乙二醇二胺修饰到GQDs 上。 该法制备的胺功能化的石墨烯量子点可通过功能化物的迁移效应有效地调节石墨烯 量子点的光致发光性能。 上海复旦大学石墨烯研究人员采用在分散在水中的氧化石墨烯的悬浮液中加入胺类钝化剂(氨水(NH3.H2O)、苯胺、聚乙烯亚胺 (PEI)、三乙胺((C2H5)3N)、氯化铵(NH3Cl)或N、N- 二甲基甲酰胺(DMF)等)，反应的温度控制在150～250℃，反应时间在30min～12h然后再进行水热钝化处理，即得到具有较高的量子产率的的石墨烯量子点，平均粒度可达3.45nm。这种方法操作非常简便，反应时间短，对环境友好，所得的量子点量子产率高，且性质容易通过改变钝化剂的种类来进行调控。
Zhou等采用光照芬顿反应法，在亚铁离子和双氧水同时存在条件下，经紫外灯照射石墨烯，得到粒径约为40nm，高度约为1.2 nm的GQDs。该法操作简单，可通过控制光照时间来调节GQDs的粒径大小。
Li等采用电化学法，以高氯酸四丁基铵(TPAB)为氮源，石墨烯膜为工作电极, 乙腈为电解液，在±3.0V 范围内连续扫循环伏安，溶液颜色由无色变为黄色，蒸干乙腈，透析并过滤，将固体分散于二次水中，得到氮掺杂石墨烯量子点(NGQDs)。如图4所示，该法制备的NGQDs在365nm紫外灯下发蓝色荧光，粒径主要分布在2-5nm之间。
图4. NGQDs 荧光照片、结构示意图及 TEM 图像
Fig 4 fluorescence photograph、structure diagram and TEM figures of NGQDs
Zhang等在碱性条件下电解石墨棒制备GQDs。将石墨棒作为阳极，以铂为对电极，置于7mL浓度为0.1 mol/L的氢氧化钠溶液中，电流强度范围为80-200 mA cm-1，得到的溶液用水合肼溶液处理，得到黄色发光、粒径为5-10 nm的GQDs。电化学法制GQDs的工艺过程可归纳为三个阶段：第一阶段是剥落发生前的诱导期，电解液颜色从无色到黄色再到暗棕色;第二阶段石墨阳极明显膨胀;第三阶段石墨片自阳极剥落袁同电解液一起形成黑色浆体，反应机理如图5所示。
图5 电化学法制备GQDs反应机理
Fig5 mechanism for the preparation of GQDs by electrochemical strategy Peng等采用化学剥离碳纤维法，以树脂基碳纤维为母体，经酸氧化将碳纤维中的堆积的石墨剥离，一步就可制得粒径分布为1-4 nm， 高度为0.4-2 nm的GQDs。该法制备的 GQDs边缘大多呈锯齿状，由1-3层石墨烯构成，并可通过控制温度来调节GQDs的尺寸大小进而达到改变其荧光颜色的目的。 bottom-up法指小分子前驱体经芳基氧化聚合作用得到GQDs。常见的方法有溶液聚
合法，微波辅助水热法和可控热解多环芳烃法等。 Li等将增溶基团2’,4’,6’-三烷基取代苯环共价连接到石墨烯基边缘制备GQDs，大致步骤是用小分子(如3-碘-4-溴苯胺或其他苯衍生物)逐步反应制得聚苯树突状前体,再经氧化反应得石墨烯基, 最后制得GQDs。Li等制备大尺寸GQDs采用新的增溶方法是在石墨烯核周围生成一个三维的“笼”， 将2’,4’,6’-三烷基取代苯环共价连接到石墨烯基边缘致使其拥挤，则石墨平面外围的苯基因此变得扭曲，石墨烯在三维方向上层间距增加形成笼状结构，如图6所示，这极大地减小了因短程距离引起的层间吸引力，从而达到增溶目的。
图6 溶液化学法制备GQDs: (a) GQDs的结构图;(b)GQDs的制备流程图
Dong等采用直接聚合法，以柠檬酸(CA)为前驱体，加热至200℃，通过控制CA的碳化时间可选择性地制备GQDs或GO。如图7所示，CA分子间脱水聚合，当反应时间较短， CA部分碳化时形成GQDs;当反应时间较长，CA完全碳化聚合成GO。GQDs和GO在365nm紫外灯下均呈现蓝色荧光。
图7 合成 GQDs和GO的图解
Qu等在Dong的基础上， 采用溶液化学法， 以柠檬酸(CA)为前驱体，尿素(UA)为氮源，硫脲(TU)为氮源和硫源，成功制备了氮掺杂石墨烯量子点(NGQDs)和硫氮共掺杂石墨烯量子点(SNGQDs)。如图8所示，水热条件下CA先自组装聚合成表面含有羟基和羧基的GQDs，UA或TU中的-NH2及含S基团连接到GQDs表面的羧基或羟基上，形成NGQDs或SNGQDs。该法制备的NGQDs和SNGQDs粒径主要分布在2.0-4.0nm;量子产率高，分别可达78%和71%;在可见光下分别呈黄色和绿色,在365nm紫外灯下都呈蓝色， 且SNGQDs在550nm和590nm处分别呈红色和紫色。
图8 NGQDs和SNGQDs的生长机理
Tang等采用微波辅助水热法，以葡萄糖为前驱体制备GQDs。如图9所示，在微波水热环境下，葡萄糖脱水经C=C形成GQDs核心，随反应时间延长GQDs逐渐长大，反应时间是GQDs粒径大小的决定性因素。该法制备的GQDs结晶度高，平均粒子大小在3.4 nm左右，在365 nm 紫外灯下发蓝光。
图9 微波辅助水热法(MAH)制备GQDs Liu等采用可控热解多环芳烃法，以六苯基苯(HBC)为碳源制备出大小约为60nm、 厚度约为2-3nm、 粒径统一的彩色荧光GQDs。 如图10所示，首先HBC在高温下热分解自组装成人工石墨，接着经改进的Hummers方法氧化剥离，之后与聚乙二醇胺混合加热回流48h并用肼还原得到GQDs。该法制备的GQDs稳定性好，室温放置一年仍不变质，形貌和粒径大小可通过热解温度来调节。
图10 以六苯基苯(HBC)为碳源制备光致发光GQDs的过程图解
Sheng 等采用紫外光刻蚀干法制备了石墨烯量子点，通过将石墨烯溶液旋涂在云母薄片上。经干燥得到氧化石墨烯/云母薄膜，采用80~200W、主波长275nm或372nm的紫外灯进行照射1~60min，制成单层的石墨烯量子点薄膜。石墨烯量子点薄膜明场和荧光照片如图11所示，选择不同波段的激发光，薄膜的荧光强度不同，其中以近红外区的荧光强度最强，并且荧光衰减很慢。
图11 石墨烯量子点薄膜明场和荧光图
GQDs的性质 (1)光致发光 石墨烯量子点在紫外区有较强光学吸收，吸收峰尾部扩展到可见区。光致发光光谱一般是宽峰并且与激发波长有关，当激发波长从300到407 nm变化，发射峰向长波方向移动，激发波长为360 nm时，量子点发出明亮的蓝色光，此时发射峰最强。发光光谱是电子从最低未占据分子轨道向最高占据分子轨道跃迁产生的。带隙大小与量子点尺寸有关，当量子点尺寸增加带隙逐渐降低，不同粒径石墨烯量子点混合样品具有不同的激发和发射光谱。
石墨烯量子点溶液的pH也会影响发光强度。如Pan等报道了石墨烯量子点在碱性条件下荧光较强而在酸性条件下荧光几乎完全猝灭。如果pH在13和1之间变化，光强度也随之可逆地变化，这会限制量子点的应用范围。Shen等将量子点表面用聚乙二醇钝化解决了这个问题。量子点在中性溶液中具有较强的荧光，在酸性和碱性溶液中强度降低约25%。聚乙二醇修饰的石墨烯量子点量子产率可达28%，比纯量子点高两倍。也就是说量子点表面钝化后可显著增强量子点荧光。
除了尺寸和酸碱度之外，还有其他因素影响石墨烯量子点的发光性能。Eda等发现经肼蒸汽还原处理后石墨烯量子点的荧光强度会变化，可能是与极小的sp2簇的变化有关。Gokus 等人通过实验发现光致发光强度和石墨烯厚度直接相关。单层石墨烯发光较强，但多层石墨烯发光情况却不同。用氧气等离子层层刻蚀后，双层和多层的石墨烯仍然不发光，说明最上一层的荧光发射被底下未处理的层猝灭了。
(2)上转换发光
最近上转换荧光材料引起了科研工作者广泛的关注。而石墨烯量子点的上转换发光研究的却较少。Shen 等制备的石墨烯量子点在 980 nm激光激发下发出绿光，具有上转换荧光性质。激发波长从 600 nm 变到 800 nm，上转换发射峰随之变化，从390 到468 nm，且激发光能量和上转换发射光能量之间的差值不变，大约1.1eV。Shen等人认为可能的原因是石墨烯量子点卡宾基态的多重性，具有σ和π两个轨道，而两个轨道之间的能级差接近 1.1 eV。
(3)低细胞毒性
石墨烯量子点的细胞毒性已被很多课题组研究。Dai和Yang课题组通过细胞实验研究都发现石墨烯量子点具有较低的毒性。加入400 mg量子点到150mL细胞液中，细胞的活性没有明显地降低。因此所合成的石墨烯量子点可用于体外、活体生物成像和生物医学领域，并且具有较高的允许浓度。
(4) 其他性质 由于具有石墨烯的物理结构，石墨烯量子点还具有其他特性。石墨烯量子点是很好的电子给体同时又是电子受体。Hamilton及其合作者通过在极性表面上通过控制量子点的取向来组装胶体石墨烯量子点制备了圆盘形纳米结构材料。量子点的取向可以通过化学作用测定出来。 GQDs的应用领域
由于拥有石墨烯电化学催化性能高、生物相容性好、细胞毒性低、环境友好、光致 发光性能稳定等诸多优良性能，GQDs在化学及生物领域的甲醇燃料电池、环境金属离子检测、传感器、细胞成像、药物运输等方面的应用逐渐被关注，尽管其应用研究目前仍处在起始阶段，但已日益成为全球科研工作者热门的研究对象。
(1) 生物成像
Jing及其合作者利用共轴电喷溅方法一步制备了多功能核壳结构胶囊，同时具有靶向和荧光成像功能。TiO2壳层抑制了紫杉醇起始的爆发性释放，内部的四氧化三铁和石墨烯量子点分别用于磁靶向和荧光成像。胶囊内的紫杉醇在超声作用下可释放出来。Zhu等把合成的石墨烯量子点用于常规的生物成像。以Dulbecco磷酸盐缓冲盐水为介质配成2.5 mg/mL石墨烯量子点悬浮液来培育104细胞/150 μL人骨肉瘤细胞液。石墨烯量子点是通过一步溶剂热法制备的，量子产率高达11.4%。石墨烯量子点吸收和生物成像试验是在共聚焦荧光显微镜上完成的。细胞内有亮绿色区域表明量子点已经通过细胞膜转位。激光相关的发光行为使石墨烯量子点有多种可见光谱，当激发波长移到488 nm，可看到黄绿色的光。
(2)电化学生物传感
由于石墨烯量子点具有优异的传导性，Li等将石墨烯量子点修饰电极与特定序列ssDNA分子耦合作为探针设计了电化学生物传感器。由于探针ssDNA与量子点的相互作用使之紧紧地结合在修饰电极表面，从而抑制了电化学活性物种[Fe(CN)6]3-/4-和电极之间的电子转移。当目标分子如目标ssDNA或目标蛋白质加入测试溶液中，如果探针ssDNA是目标DNA的互补对或目标蛋白质的适体，探针ssDNA优先与目标分子结合而不是石墨烯量子点。[Fe(CN)6]3-/4-的峰电流随目标分子量增大而增加。所构筑的生物传感器具有较高的灵敏度和选择性。Li 等还构建了一种新型基于 GQDs 和 BBV 的葡萄糖荧光传感器。该传感器利用 GQDs 与 BBV 之间的静电相互作用，使之相互络合导致 GQDs荧光猝灭，加入葡萄糖后，BBV 中的硼酸基团与葡萄糖中的顺式醇羟基结合，中和了BBV 所带的正电荷，从而使 GQDs 荧光恢复。 (3) 环境金属离子检测 Ran 等首次报道了一种简单快速、超灵敏无标记的基于银纳米粒子(AgNPS)修饰的 GQDs 检测 Ag+和生物硫醇的方法。 如图 12所示， GQDs 作为荧光指示剂，当 Ag+或生物硫醇不存在的情况下，GQDs 发出强烈的蓝色荧光;当 Ag+存在时，由于静电作用 Ag+会吸附在 GQDs 表面，GQDs 荧光强度减弱;Ag+吸附在 GQDs 表面后生成了AgNPS,加入生物硫醇后，生物硫醇作为还原剂和桥梁将彼此毗邻的 AgNPS 距离拉近并连接在一起，使 GQDs 荧光猝灭。
图12基于石墨烯量子点检测 Ag+和生物硫醇的机理示意图
Liu 等合成的氮掺杂碳点与 Cu(Ⅱ)之间存在络合作用，可用于无标记绿色高灵敏检测环境中的 Cu(Ⅱ)。
(4)催化领域
最近 Qu 课题组用电化学法制备了氮掺杂的表面具有富氧功能基团的石墨烯量子点。该法是以四丁基氨高氯酸盐为氮源，乙腈为电解质把氮原子原位引入所生成的石墨烯量子点中。掺杂石墨烯量子点中的杂原子可有效调控量子点原本的性质。所制备的氮掺杂石墨烯量子点具有发光及电催化活性，N/C 原子比约为4.3%。与无氮的纯量子点不同，所制备的产物发蓝光并且具有电催化活性，在碱性介质中催化氧气还原反应，其催化活性与商用的 Pt/C 催化剂相当。
(5)有机光伏器件
由于具有优异的光电性质，石墨烯量子点可望用于制备低廉、上转换发光及高性能的光伏器件。
Li 等人用发绿光的胶体石墨烯量子点在共轭聚合物，聚 (3-己基噻吩) 基薄膜太阳能电池中作为电子受体材料。虽然只是初步研究没有进行器件的优化，功率转换效率仍达到 1.28%。石墨烯量子点提供了一个有效的电荷分离界面和电子传输路径。Yan等也报道了石墨烯量子点具有较高的光吸收，并且在可见和近红外区也有吸收。通过计算石墨烯量子点能级水平发现在光激发下电子可能从量子点注入宽带隙 TiO2然后从碘离子接受一个电子实现再生。因此，石墨烯量子点可以取代金属有机染料作为光敏剂制造出价廉、高效的量子点敏化太阳能电池。石墨烯量子点还具有上转换发光性质，可用于光电化学电池。
Zhu 等研究了石墨烯量子点的光电转换能力。聚乙烯醇-石墨烯量子点和纯石墨烯量子点在 ITO 电极上产生的光电流用三电极体系进行测定。纯石墨烯量子点光电极在 365 nm 紫外光和 808 nm 近红外激光照射下产生的光电流比聚乙烯醇-石墨烯量子点电极的一半还少，石墨烯量子点将会成为新的太阳能电池掺杂材料。光电转换的光源可以从紫外拓展到近红外。
Gupta 等报道了将石墨烯量子点与规整的聚 (3-己基噻吩) 或聚 (2-甲氧基-5-(2-乙基己氧基)-1，4 苯撑乙烯) 聚合物混合之后得到的物质与石墨烯纳米片和共轭聚合物的混合物相比能明显地提高太阳能电池或有机发光二极管的效率。石墨烯量子点是以石墨烯纳米片为原料通过水热法制备并且用苯胺或亚甲基蓝功能化。循环伏安法测得石墨烯量子点的 LUMO 和 HOMO 分别为-3.55 和-5.38 eV，并且 LUMO 的位置在聚 (3-己基噻吩) 和 Al 之间，说明量子点适合用于太阳能电池。亚甲基蓝功能化的石墨烯量子点分散在聚合物聚 (2-甲氧基-5-(2-乙基己氧基)-1，4 苯撑乙烯)中，提供了较多的电传输路径，增强了电荷注入效率，因此增加了载流子密度。
展望
综上所述，作为一种新型的碳纳米结构材料，石墨烯量子点自问世以来，对其制备方法以及机理的研究就一直是研究者们探索的热点，各种简单有效的方法被陆续研究出来。然而目前制备高产率、高质量GQDs仍有相当长的路要走：自上而下的方法步骤相对简单，产率较高袁但不能实现对GQDs形貌和尺寸的精确控制。自下而上的方法多数可控性更强，但步骤繁琐操作麻烦。 另外一些特殊方法所需要的苛刻制备条件更是限制了这些方法的推广。除此之外，很多机理性问题没有解决，如光致发光(PL)起源, 影响GQDs带隙的因素，石墨烯材料中的能量弛豫和光谱扩散是否受到聚集和层间耦合的影响。应用方面也有很多问题，如生物成像时，GQDs会发出有干扰的蓝色荧光，上转换发光(UCPL)强度弱，应用在太阳能电池中能量转化率并不高。 因此，关于GQDs的研究仍然任重而道远，为了充分开发GQDs优异的光、电、磁性能还需要研究更加合理的制备方法。
