金属硒硫三元化合物及磷化铟量子点的合成与表征

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量子点因具有与尺寸、形貌相关的独特光电性能而在发光二极管(LEDs)、生物标签及太阳能电池等领域中有广阔的应用前景。目前,研究最多的是II-VI族量子点,如CdSe、CdS等。研究者们主要利用量子点的尺寸效应,通过改变合成工艺制得不同尺寸大小的量子点,从而获得紫外到近红外范围的发光光谱。但是,仅通过控制尺寸而获得发射不同颜色的荧光量子点在某些应用上具有局限性。如在生物成像技术中,要求量子点具有一系列发光颜色,并且尺寸分布范围要非常窄。解决这一问题的方法就是采用三元合金量子点。三元合金量子点可以在保持尺寸不变的情况下,通过组分比的调整改变能带结构从而获得不同波长的荧光。发展各种化学方法合成高品质合金量子点,是推动半导体量子点走向纳米半导体器件多元化的关键。目前,制备合金半导体量子点的主要方法仍然是高温热注射法和在此基础上发展的一些替代方法。这些方法不但使用了毒性较大、价格昂贵的物质作原料和溶剂,还需要在较高温度下迅速注入冷的前驱体并快速搅拌,不适合规模化合成。宽禁带Ⅲ-Ⅴ族化合物,尤其是InP量子点,由于其激子波尔半径比Ⅱ-Ⅵ族的大、量子限域效应更明显,在太阳能电池领域中更具应用价值,因而近来也备受关注。但是目前InP量子点制备中大都采用化学稳定性差、不易操控、危险性大的膦化物或是膦烷作为磷前体。寻找新的磷源、替代现有的三硅烷基膦和PH3,优化合成路径是InP量子点规模化合成和广泛应用的提前。本文针对以上问题做了以下工作:1.加热法制备成分可调的均质CdSexS1-x合金量子点。发展了一种非注射的绿色合成方法获得了组分分布均匀的CdSexS1-x高品质非梯度合金量子点。以实验室自制的油酰吗啉作为溶解Se和S的绿色溶剂,CdO与油酸反应生成油酸镉后与Se-S油酰吗啉溶液混合,通过控制反应温度(120°C下预混合1h,230°C下生长量子点)和升温速率(以10°C/min的速率从120°C升到230°C)以及改变Se/S的给料比就可制得不同x值的CdSexS1-x均质合金量子点。XRD图谱表明所制得的一系列不同组分的CdSexS1-x(0<x<1)量子点都只有一组衍射峰,为闪锌矿结构;HRTEM照片显示CdSexS1-x(0<x<1)量子点大小为5.2nm左右。在尺寸保持不变的情况下,通过成分的调整荧光发射范围可覆盖460-650nm可见光区域,荧光量子产率可高达60%。2. ZnSexS1-x合金量子点的合成。选用绿色的化学试剂,同时采用加热法在高温条件下探究ZnSexS1-x合金量子点的合成路径。利用胺类化合物与锌的脂肪酸盐的配合使用可获得高活性锌前驱物这一特性,在十八烯与油酰吗啉的混合溶剂中制备出单分散性良好的闪锌矿结构ZnSexS1-x量子点,吸收范围为250-400nm,荧光发射范围为310-420nm。该合成方法是基于热分解法的,热分解反应法的优点在于反应速度较快,这有利于激子波尔半径小的ZnSexS1-x量子点的形成。通过改变两种阴离子比例,可以制得在保持小尺寸不长大的同时荧光光谱随成分调整而变化的ZnSexS1-x三元量子点。3.基于元素磷源的InP量子点制备。以白磷作为磷源、醋酸铟为铟源、硬脂酸为表面包覆剂、十八烯为溶剂,采用加热法合成了InP量子点。X射线衍射(XRD)和透射电子显微镜(TEM)分析测试显示InP量子点属于立方闪锌矿结构,并且是直径约为5nm的球状纳米晶。紫外可见光谱和荧光光谱分析表明,InP量子点表现出明显的激子吸收和带边发射特征,荧光发射光谱在415~517nm范围内连续可调,呈现明显的量子尺寸效应。
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