Development of carbon nanodots and study of their fluorescence properties. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF (MS Thesis) MS Thesis_Wan Ryan Asri_Signed by Dean.pdf - Other Restricted to Repository staff only until 28 December 2026. Download (5MB)

Arabic Abstract

تُعَدّ النقاط الكربونية النانوية (Carbon Nanodots, CDs) من المواد الفلورية الواعدة بفضل قابلية ضبط بنيتها، واستقرارها الكيميائي، وبساطة تحضيرها بطرق صديقة للبيئة. وعلى الرغم من استخدامها الواسع في التطبيقات الحسية والضوئية، لا تزال العلاقة بين التطور البنيوي لهذه المواد وسلوكها في الحالة المثارة غير مفهومة بشكل كافٍ. يهدف هذا البحث إلى دراسة تأثير تركيب المواد الأولية، وظروف التحضير الحراري، وتفاعلات مطفئات الفلورة على الخواص الضوئية للنقاط الكربونية المحضّرة من سترات الأمونيوم (سلسلة CND-2N وCND-3N) وحمض الستريك (CD-150 وCD-180 وCD-200) باستخدام طريقة التحلل الحراري المضبوطة.أظهرت التحاليل الطيفية والمجهرية الشاملة أن التغيّرات الطفيفة في درجة حرارة التحضير تؤدي إلى تعديلات واضحة في درجة التماثل الغرافيتي، وفي تركيب المجموعات الوظيفية السطحية، وفي توزيع الحالات الباعثة المرتبطة بالجزيئات والسطح والنواة الكربونية. وقد أظهرت العينات المحضّرة عند درجات حرارة متوسطة , خصوصًا CND-2N150 وCND-3N150 وCD-180, توازناً بنيوياً مثالياً انعكس في شدة فلورية أعلى، وأزمنة عمر أطول للحالة المثارة، واستجابة أقوى للمطفئات.كما كشفت دراسات الإطفاء عن مسارات مميّزة للتفاعلات في الحالة المثارة؛ إذ سبّب البنزو فينون إطفاءً ستاتيكياً عبر معقّدات حالة أرضية، بينما أحدث ثنائي ميثوكسي البنزين إطفاءً ديناميكياً عبر تآثرات π–π. أما رباعي سيانو إيثيلين فقد كوّن معقّدات انتقال شحنة قوية صاحَبها إطفاء مزدوج (ستاتيكي–ديناميكي). وبرزت العيّنة CD-180 بأعلى ثوابت إطفاء وأسرع معدلات إزالة تنشيط، مما يؤكد الدور التعاوني للعيوب السطحية والمناطق الأروماتية في تحديد آليات الانبعاث. تبرز نتائج هذا العمل فهماً موحداً لكيفية تحكم البنية وتفاعلات المطفئات في خصائص النقاط الكربونية، مما يوفّر أساساً لتصميم مواد ضوئية محسّنة للتطبيقات الحسية والإلكترونية الضوئية.

English Abstract

Carbon nanodots (CDs) have emerged as promising photoluminescent nanomaterials due to their structural tunability and environmentally benign synthesis. Despite their widespread utility in sensing and photophysical applications, their interplay between structural evolution and excited-state dynamics remains adequately understood. This thesis studies the effects of precursors, thermal treatment, and quencher interactions on the photoluminescent (PL) feature of CDs prepared from ammonium citrate (CND-2N and CND-3N series) and citric acid (CD-150, CD-180, CD-200) via direct pyrolysis. Detailed spectroscopic and microscopic analyses showed that small variations in synthesis variation pronouncedly influence graphitization, surface functional groups, and the distribution of surface and core-related emissive states. CDs synthesis at intermediate temperatures, in particular CND-2N1250/3N150 and CD-150, possessed the most balanced structural features, affording in stronger PL intensity, longer excited-state lifetimes, and enhanced sensitivity toward quenchers. Quenching studies further elucidated distinct excited-state interaction pathway. In ammonium-citrate CDs, benzophenone induced predominantly static quenching via hydrogen-bonded ground-state complexes, whereas dimethoxybenzene produced dynamic, π-π mediated quenching with nonlinear behavior at high concentrations. In citric-acid derived CDs, tetracyanoethylene generated strong ground-state charge-transfer adducts with combined static-dynamic quenching and positive Stern-Volmer deviation. Among all samples, CD-180 showed the highest quenching constant and fastest deactivation rates, pointing out the cooperative role of surface and carbon-core states in governing PL decay pathway. This study overall provides a unified mechanistic understating of how structural evolution and quencher interaction modulate CD photophysics, offering insights for preparing CDs with optical properties for sensing and optoelectronic applications.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Chemistry
Department:	College of Chemicals and Materials > Chemistry
Committee Advisor:	Siddiqui, Mohammad Nahid
Committee Members:	Peedikakkal, Abdul Malik Puthan and Saleh, Tawfik A
Depositing User:	WAN RYAN ASRI (g202213620)
Date Deposited:	28 Dec 2025 11:29
Last Modified:	28 Dec 2025 11:29
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/143911