过渡金属硫族化合物量子点的制备及光学性质研究

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近年来,以石墨烯为代表的二维材料具有独特优异的光电学性能,已经成为科学界和工业界关注的焦点,但石墨烯是零带隙层状材料,且价格昂贵,在一定程度上限制了市场化的应用。当前,科学家发现过渡金属硫族化合物(TMDs)不仅具有与石墨烯结构类似特征,还具有适当的带隙,显示出独特的物理和化学性质,并且纳米材料的性质一般取决于材料的制备方法及组成基元的尺寸、形貌、物相结构等,特别是可控地制备维度更低的过渡金属硫族化合物量子点(TMD QDs)材料,呈现出更为新颖的光电学性质,是国内外科研人员致力解决的一个重要方向。目前TMD QDs材料中多集中于研究MoS2 QDs和PbS QDs,其它材料的研究还相对较少,而且已报道的纳米材料的制备方法大多条件严苛,步骤复杂,且多处于实验室阶段,无法实现大规模商业化应用。尽管最近研究报道TMD QDs在催化、电池和电极等领域具有广阔的应用前景,但在光学领域的应用研究仍然十分有限。因此尝试使用一种可控、绿色安全、可大规模工业化应用的方法制备小尺寸TMD QDs材料有着切实可行的研究价值。本文采用超声剥离技术,选用二维MS2(M=Ta,Ti,Re,Zr)为研究对象,经研磨、超声和离心制备TaS2 QDs、TiS2 QDs、ReS2 QDs和ZrS2 QDs材料,并从结构(TEM,XRD)、形貌(TEM,SEM,AFM)、物相(Raman,FTIR,EDS,XPS)和光学性能(UV-Vis,PL&PLE)方面进行分析,重点研究材料的形貌、结构、尺寸、荧光量子产率和光学带隙。为拓展TaS2,TiS2,ReS2和ZrS2材料在光学领域的应用打下基础。本论文主要结果如下:1.通过AFM、TEM、SEM形貌表征测试成功制备出分散性好的TaS2 QDs、TiS2 QDs、ReS2 QDs和ZrS2 QDs材料,均为1T相,晶粒尺寸都约为3 nm且呈现均匀分布的六方形结构;2.XRD、Raman、FTIR、XPS和EDS物相元素表征均证实TaS2 QDs、TiS2QDs、ReS2 QDs和ZrS2 QDs仍能保持体材料优异的特性及独特的量子点性质,其中S原子和相应的Ta,Ti,Re和Zr原子都能被检测到,且原子百分比均显示2:1;3.系统研究了UV-Vis、PL&PLE的光学性能表征,得出TaS2 QDs、TiS2 QDs、ReS2 QDs和ZrS2 QDs在紫外波段都有特征吸收峰,并研究了TaS2 QDs、TiS2 QDs、ReS2 QDs和ZrS2 QDs光学带隙分别为3.69 eV,3.18 eV,1.57 eV和3.15 eV,且荧光量子产率分别为45.6%,80.7%,55.6%和53.3%;4.Stokes位移效应显著,TaS2 QDs、TiS2 QDs、ReS2 QDs和ZrS2 QDs的Stokes位移分别约为71 nm、150 nm、107 nm和139 nm。
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